Бурмакова и в сравнительный анализ технологий производства алюминиевой

метки: Алюминиевый, Счетчик, Конвейер, Алюминий, Воздействие, Производство, Категория, Данные

Научно-технический прогресс поставил перед человечеством ряд новых, весьма сложных проблем, с которыми оно до этого не сталкивалось вовсе, или проблемы не были столь масштабными. Среди них особое место занимают отношения между человеком и окружающей средой. Возросший уровень техногенного воздействия на окружающую среду привел к ряду глобальных, региональных и локальных экологических проблем. Значительный рост населения и повышение качества жизни привели к росту хозяйственной деятельности человека, основная цель которой – производство различной продукции и услуг. На протяжении своего жизненного цикла продукты неоднократно вносят вклад в загрязнение окружающей среды. Оценка жизненного цикла продукта (ОЖЦ) рассматривает воздействия на окружающую среду на протяжении всего жизненного цикла продукции — получение сырья, материалов, производство, эксплуатация и утилизация в рамках продукционной систем, а также отрицательные воздействия на население и на состояние экологических систем. При помощи проведения такого системного анализа и учета перспективы появляется возможность идентификации или смещения потенциальной экологической нагрузки между стадиями жизненного цикла или индивидуальными.

Кроме того, оценка жизненного цикла является инструментом поддержки и принятия решений на уровне государства и предприятий. Сегодня метод Оценки жизненного цикла, ОЖЦ (рус.) или Life-Cycle Assessment, LCA (англ.) – один из ведущих инструментов экологического менеджмента в Европейском союзе, основанный на серии ISO-стандартов и предназначенный для оценки эколого-экономических, социальных аспектов и воздействий на окружающую среду в системах производства продукции и утилизации отходов. Универсальный в своем роде метод ОЖЦ используют практически во всех отраслях промышленности, в частности в машиностроении, строительстве, электронике, традиционной и альтернативной энергетике, производстве полимеров, продуктов питания, дизайне продукции и утилизации отходов. Алюминиевые банки являются наиболее популярным и высокоэкологичным видом тары, так как производятся из материалов, пригодных для вторичного использования. Они непроницаемы для влаги, газа и света. Существует две технологии их производства из первичного вторичного алюминия. Потребление ресурсов в процессе производства может негативно сказываться на окружающей среде и экосистемах. В настоящей работе будет проведен сравнительный анализ двух технологий производства алюминиевой банки по методу оценки жизненного цикла.

Этапы жизненного цикла продукции

... менее доходный следует незамедлительно снимать с производства, ведь его жизненный цикл наверняка еще не исчерпал себя. 2. Этапы жизненного цикла жизненный цикл товар маркетинг Современные предприятия поставлены перед ... чаще всего основывается на жизненных циклах товаров и услуг. Умение своевременно создавать условия для реализации продукции и управление жизненным циклом по мере изменения рынка ...

Научная новизн. Данная методика с применением программного продукта для оценки технологий позволит дать рекомендации по усовершенствованию технологии и минимизации ее на окружающую среду. Практическая значимость Результаты работы могут быть использованы для усовершенствования технологии и минимизации её влияния на окружающую среду. Цель работы – проведение сравнительного анализа двух технологий производства алюминиевой банки с помощью метода оценки жизненного цикла. Для достижения цели НИР решены следующие задачи: 1) изучить методологию оценки жизненного цикла; 2) провести сравнительный анализ технологий производства по методу ОЖЦ с использованием программного продукта SimaPro 8.0.2; 3) дать сравнительную характеристику технологий по влиянию их на окружающую среду. Цель и задачи работы обусловили ее структуру. Работа состоит из введения, трех частей, заключения, библиографического списка и приложений.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/schetchik-alyuminievyih-banok-na-konveyere/

1.1 Определение оценки жизненного цикла

Причиной экологического кризиса является хозяйственная деятельность человека, основная цель которой – производство различной продукции и услуг. На протяжении своего жизненного цикла продукты неоднократно вносят вклад в загрязнение окружающей среды. Оценка жизненного цикла (ОЖЦ), представляющая собой сбор и оценивание входных и выходных потоков, а также потенциальных воздействий продукции на окружающую среду на всех стадиях ее жизненного цикла (изготовление, использование, утилизация отходов) – один из ведущих инструментов экологического менеджмента, перспективный метод улучшения экологических аспектов продукции и сравнения альтернатив [1].

Оценка жизненного цикла (ОЖЦ, с англ. Life cycle assessment) – это методика, используемая для определения экологических и социальных последствий, связанных с продуктом, услугой или системой в целом с глобальной точки зрения, которая включает в себя все известные потенциальные воздействия на окружающую среду и сопровождает продукт, услугу, процесс или целую систему в течение всей жизни, т.е. «от ресурсов до утилизации». Концепция ОЖЦ продукта представлена на рисунке 1. «От ресурсов до утилизации» означает, что жизненный цикл включает в себя все известные процессы в стадии добычи сырья, транспорта, производства, упаковки, распределения, использования и распоряжения имуществом. Этот тип целостного анализа вызвал большой интерес в странах Европейского Союза и во многих других частях мира (среди других – США и Китай).

Использования метода ОЖЦ стало неотъемлемой частью многих стратегий и правил в пределах разработки продуктов, услуг, процессов и систем [2].

Рисунок 1 – Концепция оценки жизненного цикла продукта [2]

Другая область использования «от ресурсов до выпуска» используется, когда ОЖЦ включает в себя только этапы жизненного цикла от добычи сырья до момента, когда продукт распространяется на потребителей. Причина использования этого способа часто связанно с тем, что неизвестно, как долго продукт используется потребителем и то, что происходит с продукцией после использования. Следовательно, нет возможности получить собственно данные и информацию об этих последних этапах жизненного цикла [2].

В западных странах оценка жизненного цикла регулируется международными стандартами серии ISO:14040: – 2006 Environmental management – Life cycle assessment – Principles and framework. Обеспечивает четкое представление о практике использования, приложений и ограничений ОЖЦ для широкого круга потенциальных пользователей и заинтересованных сторон, в том числе с ограниченным знанием данного метода. – 14044:2006 Environmental management – Life cycle assessment – Requirements and guideline. Этот стандарт предназначен для подготовки и проведения оценки, а также для критического и инвентаризационного анализов жизненного цикла [4].

Формирование и оценка эффективности использования материально-технической ...

... курсовой работы является - изучить материально-техническую базу автотранспортного предприятия, дать экономическую оценку ее состояния и использования, разработать направления улучшения ее развития. Задачи, которые необходимо решить при выполнении курсовой работы. 1. Определить роль и значение материально-технической базы предприятия ...

В Российской Федерации оценка жизненного цикла регламентируется стандартами ГОСТ Р и ГОСТ Р ИСО: – ГОСТ Р ИСО 14044-2007. Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла. Требования и рекомендации. – ГОСТ Р ИСО 14047-2007. Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла. Оценка воздействия жизненного цикла. Примеры применения ИСО 14042. – ГОСТ Р ИСО 14048-2009. Мероприятия по охране и рациональному использованию окружающей среды. Оценка жизненного цикла. Учетная форма для документирования экологических данных. – ГОСТ Р 52867-2007. Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла. Примеры применения стандарта ИСО 14041 для определения целей и области исследования и инвентаризационного анализа [5].

ОЖЦ позволяет сделать «прозрачным» жизненный путь исследуемой продукции, облегчает доступ к каждому звену продукционной цепочки, дает возможность управлять и изменять их, и, как следствие, повышать ресурсную эффективность производства и минимизировать воздействие на окружающую среду [6].

Представляя собой количественную оценку экологического воздействия, ОЖЦ может быть использована для улучшения экологических аспектов продукции на различных стадиях ее жизненного цикла. Она может применяться на уровне организации при стратегическом планировании, определении приоритетов, проектировании продукции или процесса и др.; для выбора показателей экологической эффективности, включая методы измерений; при разработке системы экологического менеджмента, экологической политики предприятия и др.; для целей экологического маркетинга продукции, (например, для получения знака экологической маркировки, экологической декларации продукции) [6].

1.1.1 Краткая история развития метода

Первые исследования, связанные с жизненным циклом продуктов, проводились в конце 60-х – начале 70-х годах в США. Однако, сам термин «оценка жизненного цикла» ввели лишь в 90-х годах прошлого века. До этого времени анализ жизненного цикла продуктов назывался анализом ресурсных и экологических параметров [6].

Такое исследование впервые провела компания «Coca-Cola» в 1969 году с целью определения производства тары для выпускаемых напитков. Поскольку данный тип исследования оказался новым и в то же время весьма сложным, то компания заказала его проведение НИИ Среднего Запада «Мидвест». Другое крупное исследование вышеуказанным методом было инициировано компанией «Мобил Кемаклс». Эта компания производила полистироловые подложки для упаковки мяса. Исследование показало, что их продукция более экологически безопасна, чем у конкурентов. В дальнейшем концепция анализа продолжала развиваться. Были разработаны первые компьютерные программы, опубликованы научные работы, касающиеся исследований жизненного цикла. Впоследствии Агентство по защите окружающей среды США уже проводило собственные исследования жизненного цикла, в рамках которого изучало опасность для окружающей среды материалов, из которых изготовлялась многоразовая тара для напитков. В середине 80-х годов произошел спад интереса к исследованиям жизненного цикла по причине отсутствия единых стандартов и единой методики. Это часто вызывало противоречия между результатами разных исследований, что снижало доверие к методу. Но в конце 80-х годов резко повысилось международное внимание к защите окружающей среды, что снова повлекло интерес к концепции жизненного цикла.

Основные ситуации взаимовлияния жизненных циклов спроса, технологи и товара

... - других стадиях). А.Становление Организация находится в стадии становления, формируется жизненный цикл продукции. Цели еще нечеткие, творческий процесс протекает свободно, продвижение к следующему ... важные аспекты, которые изменяются на каждом этапе жизненного цикла организации. 1. Понятие жизненный цикл организации Проектирование, развитие и поведение организации может быть описано посредством ...

Тогда и возникла необходимость создания общепризнанных стандартов в данной сфере экологических исследований. Деятельность по разработке единой методологии ОЖЦ имела место в США и Северной Европе, в частности в Скандинавии. Были выпущены некоторые руководства по оценке жизненного цикла, опубликованы документы по техническому использованию метода. Однако, в конце 90-х годов Международная организация стандартизации (International Organization for Standardization – ISO) выпустила стандарты серии 14040 по оценке жизненного цикла в качестве дополнений к серии стандартов 14000 в области экологического управления. Таким образом, за 40 лет метод ОЖЦ развился в весьма популярный и широко используемый аналитический инструмент. Данный метод успешно используют промышленные предприятия, консалтинговые фирмы, непромышленные организации, академические учреждения и правительства с целью достижения устойчивого развития [6].

1.1.2 Основные термины, используемые при ОЖЦ

Жизненный цикл (Life Cycle) – последовательные или взаимосвязанные стадии продукционной системы от приобретения сырья или разработки природных ресурсов до утилизации продукции. Экологическая оценка жизненного цикла (Environmental Life Cycle Assessment) – метод, позволяющий оценить экологические аспекты и потенциальные воздействия на протяжении всего жизненного цикла продукции. Продукционная система (Product System) – набор всех процессов, требующихся для обеспечения функционирования продукта. Основные группы процессов продукционной системы – производство, потребление и переработка отходов. Экономическая система (Economic System) – набор продукционных систем. Экологическая система (Environmental System) – это система, в которую входят все процессы, происходящие в окружающей среде. Функциональная единица (Functional Unit) – это количество рассматриваемого продукта, в рамках которого проводится исследование методом ОЖЦ. Функциональная единица создается с целью создания базы, к которой далее будут приводиться количественные данные о входных и выходных потоках. Для определения функциональной единицы следует рассчитать количество продукции, требуемое для выполнения функции [7].

1.1.3 Принципы оценки жизненного цикла

Согласно [9], принципы ОЖЦ рассматриваются как основные, и их следует применять в качестве руководства для принятия решений при планировании и проведению метода: 1. Акцентирование внимания на окружающей среде – ОЖЦ рассматривает аспекты окружающей среды и воздействия, оказываемые продукционной системой. Экономические и социальные аспекты и их воздействия, как правило, не попадают в сферу влияния ОЖЦ. Для проведения всесторонних и более глубоких оценок параллельно с ОЖЦ могут применяться другие инструменты. 2. Относительный подход и функциональная единица – ОЖЦ представляет собой относительный подход, структурированный на основе функциональной единицы. Функциональная единица определяет область изучения. Все последующие анализы являются относительными в отношении данной функциональной единицы, поскольку все входные и выходные потоки в ИАЖЦ и, следовательно, профиль ОВЖЦ относятся к функциональной единице. 3. Итеративный подход – ОЖЦ является итеративным методом. Отдельные этапы ОЖЦ используют результаты других этапов. Итеративный подход в рамках и между этапами обеспечивает всесторонность и последовательность исследования и представления результатов работы в отчетах.

Оценка риска здоровью человека при воздействии химических веществ ...

... - это появление химического вещества в непредназначенном для него месте. Загрязнения, возникающие в процессе деятельности человека, являются главным фактором его вредного воздействия на природную среду и здоровье человека. Химические загрязнители могут вызывать ...

4. Прозрачность – в связи с характерной сложностью ОЖЦ прозрачность является важным руководящим принципом в проведении ОЖЦ, обеспечивающим необходимое и должное толкование полученных результатов. 5. Всесторонность – ОЖЦ включает в себя рассмотрение всех качественных характеристик или аспектов природной среды, здоровья людей и ресурсов. Посредством рассмотрения всех свойств и аспектов в рамках одного исследования в перекрестной перспективе, возможно идентифицировать и оценить потенциальные компромиссные решения. 6. Приоритетность научного подхода – принятие решений в рамках ОЖЦ предпочтительно основывают на положениях естественных наук. Если это невозможно, могут применяться другие научные подходы (например, заимствованные из социальных и экономических наук) или делаться ссылки на международные соглашения. При отсутствии научной основы или обоснования, базирующегося на других научных подходах или международных соглашениях, соответствующие решения могут основываться на выборе определенных величин [8].

1.1.4 Информационные технологии и программные продукты ОЖЦ

При проведении оценки жизненного цикла приходится иметь дело с большими объемами данных, учитывать сложные взаимосвязи между характеризуемыми параметрами, что превращает данные исследования в очень трудоемкий процесс. Программные продукты разрабатывались с целью облегчения процесса проведения ОЖЦ, как на стадии инвентаризационного анализа, так и при проведении оценки воздействий. Первые шаги были предприняты около 20 лет назад для оценки производственных процессов. Но с течением времени программы начали применяться в области управления отходами. Различные методологии и программные продукты проведения ОЖЦ систем управления отходами, как LCA – IWM, CMLCA, EASEWASTE, GaBi, SimaPro, UMBERTO были разработаны европейскими научными институтами и доступны в настоящее время для проведения оценки экологического воздействия систем управления отходами. Все эти методы обладают различными аналитическими возможностями и применимостью для определения экологической нагрузки процессов утилизации твердых отходов [9].

TRACI – это автономная компьютерная программа, разработанная агентством по охране окружающей среды США. Данный метод является инструментом по сокращению и оценке химических и других воздействий на окружающую среду. Эта программа облегчает характеристику экологических стрессоров, которые имеют потенциальные последствия. Выбранные категории на тот момент времени, когда создавался метод, были следующее: истощение озонового слоя, глобальное потепление, образование смога, закисление, эвтрофикация, риск рака для человеческого здоровья и отсутствие такого риска, критерии загрязнителей, влияющих на здоровье человека, экотоксичность, истощение ископаемого топлива, землепользование и водопользование. В ходе разработки метода, было важно для каждой категории воздействия поддерживать согласованность с предыдущими предположениями моделирования. Категории риск рака для человеческого здоровья и отсутствие такого риска основывались на предположениях, сделанных агентством по охране окружающей среды США. Многие из категорий воздействия в методе основаны на так называемой «середине» [10].

Воздействие человека на окружающую среду

... 1. Изучить воздействие человека на окружающую природу. Изучить последствия воздействия человека на окружающую природу. Выявить ошибки человечества, чтобы в дальнейшей жизни учитывать их. Задачи: Показать реальную угрозу воздействия человека на окружающую природу. Привести яркие примеры влияния человека на окружающую природу. ...

CML 2001 – этот метод использует «подход средней точки» для количественной оценки воздействий на человека и окружающую среду, связанных с производством и использование определенного вещества. По сути, данный метод является частью оценки воздействия жизненного цикла, которая имеет одиннадцать категорий: первичная энергия, закисление, эвтрофикация, глобальное потепление, истощение озонового слоя, образование фотохимического смога, токсичность для человека, экотоксичность, морская водная токсичность, токсичность для пресных водоемов и абиотическое истощение. Такой метод получен из подобных методов, таких как Impact 2002+ и эко-индикатор 99. Токсичность для человека: эта категория затрагивает последствия влияний токсических веществ на среду обитания человека. Но риски от воздействий на здоровье в рабочей зоне не включены. Характеристика факторов, потенциал токсичности для человека рассчитываются с использованием ОЖЦ, описывая процесс воздействия токсических веществ в течение бесконечного промежутка времени. Каждое токсическое вещество при оценке выражается как 1,4-дихлорбензол эквивалент/кг эмиссии. Данные по веществам могут также варьироваться, исходя из географического смысла, и могут меняться по локальной и глобальной шкале [10].

Токсичность для пресных водоемов: этот индикатор относится к категории воздействий на пресноводные экосистемы в результате выбросов токсических веществ в воздух, сброс в воду или почву. Потенциал экотоксичности рассчитывается с использованием ОЖЦ, описываю ход воздействия и последствия токсического вещества. Промежуток времени бесконечен. При оценке также выражается как 1,4-дихлорбензол эквивалент/кг выбросов. Индикатор может применяться на глобальном, континентальном, региональном и местном уровне. Морская водная токсичность относится к последствиям от токсических веществ морских экосистем. Методика расчета такая же, как и для токсичности пресных водоемов. Земная токсичность относится к воздействиям токсических веществ на земную экосистему (см. токсичность пресных водоемов) [10].

Метод ReCiPe является продолжением по сути методов эко-индикатор 99 и CPL 2001. Он объединяет и гармонизирует среднюю и конечную точки подходов в рамках последовательности. Хотя первоначально была предназначена интеграция метода, а все категории воздействия были перепрофилированы и обновлены. Срединные и конечные точки факторов характеристики вычисляются на основе последовательной причинно-следственной цепи, за исключением категорий землепользования и ресурсов. Категории данного метода следующие: подкисление земли, эвтрофикация пресных водоемов, эвтрофикация морских экосистем, токсичность для человека, образование фотохимического смога, формирование твердых частиц, земная экотоксичность, пресноводная токсичность, морская токсичность, ионизирующее излучение, оккупация с/х земель, оккупация городских земель, землепользование, истощение ископаемого топлива, истощение минеральных ресурсов, истощение пресноводных ресурсов. В итоге, в категории ущерба выдвигались: здоровье человека, качество экосистем, ресурсы. Этот метод имеет ряд уникальных особенностей. Здесь последовательно используются средние и конечные точки в одном и том же механизме окружающей среды. Средние точки выбраны как можно ближе к результатам. В методе также используются подкатегории для качества воздуха на сельской и городской территории чтобы моделировать воздействия токсичности на человека. Есть несколько категорий воздействия, которые были предварительно отобраны для дальнейшей оценки, такие как нелинейный предельный подход, берущий в расчет человеческо-токсилогический и эко-токсикологческий эффекты [10].

Воздействие алюминия на человека

... чистое тело менее подвержено заболеваниям Выводы Алюминий играет важную роль в жизни любого человека. Как и любая другая вещь в мире, избыток этого элемента в организме идет уже только во ... и вызывают аллергические реакции. Определить, сколько алюминия в организме человека, можно, исследовав его кровь, мочу или волосы. У мужчин алюминий чаще накапливается в волосах, чем у женщин, но у ...

IMPACT 2002+ данный метод использует комбинированный «средняя точка/ущерб» подход для количественной оценки воздействия на окружающую среду, связанный с производством конкретного вещества. Результаты инвентаризация жизненного цикла связаны с четырьмя категориями ущерба, такими как здоровье человека, качество экосистем, изменение климата и ресурсы через 14 подкатегорий: токсичность для человека, респираторные заболевания, ионизирующее излучение, истощение озонового слоя, фотохимическое окисление, водная экотоксичность, земная экотоксичность, водное закисление, эвтрофикация, наземное подкисление/нитрификация, землепользование, глобальное потепление, невозобновляемые источники энергии, добыча полезных ископаемых. Этот метод опирается на другие, в том числе на CML 2001 и экоиндикатор 99, а также новые для описания срединных точек и факторов ущерба. Все характеристики выражаются в кг-эквиваленте вещества к эталонному веществу. Характеристика фактора повреждения может быть получена путем умножения срединного фактора на коэффициент преобразования повреждения, который связан с эталонным веществом. Токсичность для человека: характеристика факторов на основе выбросов в воздух, воду, почву и с/х угодий.

Общие факторы рассчитываются на континентальном уровне Западной Европы. Токсичность для человека через эмиссии в с/х почвы была изменена с использованием коэффициента коррекции, учитывающего европейские с/х угодья. Среднее значение вещества выражается в кг-эквиваленте хлорэтилена, выбрасываемого в воздух. Затем эта категория может быть преобразована в категорию вред здоровью человека, которая выражается в DALY. Водная токсичность: в этом случае рассматриваются влияния только на поверхностные пресные водоемы. Характеристика приводится для выбросов в воздух, воду и почву. Значения выражаются в сбросе кг-эквивалента триэтиленгликоля в воду. Данная подкатегория относится к качеству экосистем и выражается в PDF х м2 х год ущерба. Земная экотоксичность: здесь рассматриваются только токсичные вещества, попадающие через водную фазу в почву. Характеристика дается для выбросов в воду, почву и воздух. Выражается через попадание триэтиленгликоля в почву. Данная подкатегория относится качеству экосистем и выглядит как PDF х м2 х год ущерба. После того, как данные преобразуются в значения ущерба, каждая из трех категорий может быть нормирована, что позволяет привести к единым значениям и сравнивать с общим воздействием неких веществ. Использование коэффициента нормирования может привести к общей позиции. Такие позиции затем могут быть подведены вместе, давая веществам общую единую оценку [10].

LCA-IWM – это программный продукт, направленный на оценку экологической, экономической и социальной устойчивости смоделированных систем управления отходами на протяжении всего жизненного цикла отходов. Программа позволяет смоделировать цепь сложных процессов, работать быстро без выдачи ошибок, связанных с программным обеспечением. Интерфейс программы хорошо структурирован и позволяет вернуться к предыдущим стадиям, чтобы найти ошибку, внести изменения. CMLCA – данный продукт представляет собой программный инструмент, который поддерживает технические этапы оценки жизненного цикла. Включает в себя проведение оценки социальных аспектов исследуемой системы, оценку степени устойчивости системы. Основное внимание в программе уделяется передовым вычислительным аспектам проведения расчетов. Программа не обладает простым интерфейсом, графическое представление расчетов только линейное. CMLCA бесплатный инструмент, инвентаризационные данные для проведения расчетов и проведения оценки категорий воздействия в программе отсутствуют. EASETECH (EASEWASTE) – это модель, разработанная для проведения оценки жизненного цикла систем управления твердыми бытовыми отходами. Программа моделирует процессы вторичного использования и утилизации гетерогенных материальных потоков отходов, а также поведение эмиссии, сопровождающих эти процессы в контексте жизненного цикла отходов. Программа позволяет вносить изменения в существующие базы данных, изменять показатели технологии и процессов, а также создавать собственные модули с последующей их оценкой. GaBi – данная программа является инструментом оценки жизненного цикла и инжиниринга жизненного цикла, который включает в себя множество данных из промышленности и литературных источников. Пользователь может связать набор данных, предоставленный базой данных GaBi, с собственными данными, чтобы рассчитать как инвентаризационную ведомость жизненного цикла, так и произвести оценку воздействия. Программный продукт также производит анализ слабых сторон инвентаризации и оценки воздействия. Структура программного продукта позволяет вносить изменения и дополнения [9].

Алюминий и его сплавы

... алюминиевой промышленности и сферы применения алюминия и его сплавов. Методы исследования: анализ экономической, научной и методической литературы; анализ периодических изданий по исследуемой теме. Алюминий и его сплавы Алюминий ... 2005 г. отменены вывозные таможенные пошлины на алюминий первичный и сплавы алюминиевые; средний уровень цен на первичный алюминий на Лондонской бирже металлов в 2005 г., ...

Umberto – это инструмент оценки жизненного цикла, использующий графически интерфейс для моделирования дерева жизненного цикла таким образом, чтобы можно было вводить и отслеживать материальные и энергетические потоки. Umberto также имеет редактор оценки воздействия для облегчения проведения данной стадии ОЖЦ. Программа для проведения оценки жизненного цикла систем управления отходами должна обладать гибким программным обеспечением, которое позволяет смоделировать типичные, наиболее часто применяемые сценарии, как и сценарии, которые отличаются от стандартных. Исходные данные, заложенные в программе должны быть высокого качества, достоверными, из надежного источника. Программа должна предоставлять возможность вносить свою базу данных, свои коррективы и изменения исходных существующих данных, параметров [9].

1.2 Производство первичного алюминия

Металлический алюминий получают в три стадии:

1. Получение глинозема (Al2O3) из алюминиевых руд;

2. Получение алюминия электролизом;

3. Рафинирование алюминия. 1.2.1 Получение глинозема (Al2O3) из алюминиевых руд Боксит (фр. bauxite) (по названию местности Baux на юге Франции) – алюминиевая руда, состоящая из гидроксидов алюминия, оксидов железа и кремния, сырье для получения глинозёма и глинозёмосодержащих огнеупоров. Содержание глинозёма в промышленных бокситах колеблется от 40 % до 60 % и выше. Используется также в качестве флюса в чёрной металлургии. Обычно бокситы представляют собой землистую глиноподобную массу, которая может иметь полосчатую, пизолитовую (гороховидную) либо однородную текстуру. В обычных условиях выветривания полевые шпаты (минералы, составляющие большую часть земной коры и являющиеся алюмосиликатами) разлагаются с образованием глин, но в условиях жаркого климата и высокой влажности конечным продуктом их разложения могут оказаться бокситы, т. к. подобная обстановка благоприятствует выносу щелочей и кремнезёма, особенно из сиенитов или габбро. Бокситы перерабатывают в алюминий поэтапно: сначала получают оксид алюминия (глинозём), а затем металлический алюминий (электролитическим способом в присутствии криолита).

Производство алюминия, цветных металлов

... сплавы используются в автомобильном производстве для внутренней отделки, бамперов, панелей кузовов и деталей интерьера; в строительстве, как отделочный материал; в летательных аппаратах и др. Алюминий ... МЕТАЛЛУРГИЯ АЛЛЮМИНИЯ, ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ 1.1 История развития алюминиевой промышленности Алюминий сравнительно недавно стал промышленным металлом. Впервые металлический алюминий получил датский физик ...

Основные примеси в бокситах это Fe2O3, SiO2, TiO2. К малым примесям бокситов относят: Na2O, K2O, CaO, MgO, редкоземельные элементы, Cr, P, V, F, органика. Обычно бокситы классифицируют: – по цвету; – по основному минералу (чаще они бывают смешанными); – по возрасту. Основными критериями качества алюминиевой руды являются: – кремниевый модуль (Мsi = Al2O3/SiO2 (% масс.)): чем больше кремниевый модуль тем лучше качество (Мsi = 7); – содержание железа в пересчете на Fe2O3: если содержание Fe2O3 около 18 % масс., то боксит считается высокожелезистым (чем больше содержание железа труднее добыть бокситы); – содержание серы: наличие большого количества серы усложняет переработку боксита; – содержание карбонатов в пересчете на CO3: наличие большого количества карбонатов усложняет переработку боксита. Бокситы применяют: в производстве глинозема; в производстве абразивных материалов; в производстве огнеупорных материалов; в качестве флюса для выплавки мартеновской стали; для сушки газов и чистки нефти от серы; в качестве красителя [12].

На сегодняшний день главными поставщиками боксита являются: – Австралия: там находятся также огромные залежи Fe, Au, U, Ni, Co, Cuи др. Выгоднее покупать сырье у Австралии, чем перерабатывать свое. – Гвинея: у России есть несколько купленных мест. – Центральная Америка: Гайана, Ямайка, Суриман. – Бразилия. В Европе все месторождения истощены. Осуществляются поставки бокситов из Греции, но данное сырье является сырьем низкого качества. Расположение мировых запасов бокситов по континентам представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Расположение мировых запасов бокситов по континентам [13] Ниже представлен список основных месторождений алюминиевых руд в России. Тихвинское месторождение было открыто самым первым в 1914 г. под Сант-Петербургом, рядом с городом Тихвин. На данном месторождении было построено 6 заводов. Самый большой – это Волховский алюминиевый завод. На сегодняшний день месторождение истощено и работает в основном на привозном сырье. Северо-Уральское месторождение высококачественных бокситов (СУБР) было открыто в 1931 г. Оно послужило базой для строительства в 1939 г. Уральского алюминиевого завода (УАЗ).

А на основе Южно-уральского бокситового рудника (ЮУБР) был построен Богословский алюминиевый завод (БАЗ).

Североонежское месторождение находится по дороге на Кольский полуостров. В Плане есть, но дата строительства неизвестна. Висловское месторождение – чистоглинистое месторождение каолитного типа. Для глинозема не используется. Тиманское месторождение (Республика Коми, Варкута).

Канадцы заинтересованы в данном месторождении, поэтому планируют строительство заводов («Коми Суал» – холдинг) [13].

Поскольку алюминий амфотерен, глинозем получают тремя способами: – щелочным, – кислотным; – электролитическим. Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К.И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого столетия и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5–6 %) кремнезема).

С тех пор техническое выполнение его было существенно улучшено. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на рисунке 3. Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169–170 °С может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций: 1. Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al2O3; полученную пульпу подают на выщелачивание; 2. Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230–250 °С (500–520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

• AlOOH+NaOH→NaAlO2+H2O или Al(OH)3+NaOH→NaAlO2+2H2O; содержащийся в боксите кремнезем взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия:
• SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O; в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом.

По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100 °С;

• Рисунок 3 – Схема получения глинозема по способу Байера [12] 3. Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях;
• в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют).

  В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6–1,0 т красного шлама (сухого остатка);

• 4. Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры).

  Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60 °С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH)3. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси – затравки:

• Na2O·Al2O3 + 4H2O→Al(OH)3 + 2NaOH;
• 5. Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации;
• это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50–60 % частиц Al(OH)3. Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затравочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Остаток после промывки водой идет на кальцинацию;
• фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах – для выщелачивания новых бокситов);
• 6. Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации);
• это завершающая операция производства глинозема;
• ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150300 °С;
• сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается;
• при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

Al(OH)3 → AlOOH → γ-Al2O3 → α-Al2O3

200 °C – 950 °С – 1200 °С. В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30–50 % α-Al2O3 (корунд), остальное γ-Al2O2. Этим способом извлекается 85–87 % от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 °С [12].

1.2.2 Получение алюминия электролизом Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950–970 °С в электролизере. Электролизер (рисунок 4) состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают. Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись углерода (CO) или двуокись углерода (CO2) [14].

Рисунок 4 – Схема электролизера [14]

На практике находят применение два типа анодов: 1) самообжигающиеся аноды Зедерберга, состоящие из брикетов, так называемых «хлебов» массы Зедерберга (малозольный уголь с 25–35 % каменноугольного пека), набитых в алюминиевую оболочку; под действием высокой температуры анодная масса обжигается (спекается); 2) обожженные, или «непрерывные», аноды из больших угольных блоков (например, 1900 × 600 × 500 мм массой около 1,1 т).Сила тока на электролизерах составляет 150 000 А. Они включаются в сеть последовательно, т. е. получается система (серия) – длинный ряд электролизеров. Рабочее напряжение на ванне, составляющее 4–5 В, значительно выше напряжения, при котором происходит разложение окиси алюминия, поскольку в процессе работы неизбежны потери напряжения в различных частях системы. Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия представлен на рисунке 5. Вреакционном сосуде окись алюминия превращается сначала в хлорид алюминия. Затем в плотно изолированной ванне происходит электролиз AlCl3, растворенного в расплаве солей KCl, NaCl. Выделяющийся при этом хлор отсасывается и подается для вторичного использования; алюминий осаждается на катоде . Преимуществами данного метода перед существующим электролизом жидкого криолитоглиноземного расплава (Al2O3, растворенная в криолите Na3AlF6) считают: экономию до 30 % энергии; возможность применения окиси алюминия, которая не годится для традиционного электролиза (например, Al2O3 с высоким содержанием кремния); замену дорогостоящего криолита более дешевыми солями; исчезновение опасности выделения фтора [14].

Рисунок 5 – Баланс сырья и энергии при получении 1 т алюминия [14]

1.2.3 Получение рафинированного алюминия

Для алюминия рафинирующий электролиз с разложением водных солевых растворов невозможен. Поскольку для некоторых целей степень очистки промышленного алюминия (Al 99,5 – Al 99,8), полученного электролизом криолитоглиноземного расплава, недостаточна, то из промышленного алюминия или отходов металла путем рафинирования получают еще более чистый алюминий (Al 99,99 R).

Рафинирование методом трехслойного электролиза. Одетая стальным листом, работающая на постоянном токе (рисунок 6) ванна для рафинирования состоит из угольной подины с токоподводами и теплоизолирующей магнезитовой футеровки. В противоположность электролизу криолитоглиноземного расплава анодом здесь служит, как правило, расплавленный рафинируемый металл (нижний анодный слой).

Электролит составляется из чистых фторидов или смеси хлорида бария и фторидов алюминия и натрия (средний слой).

Алюминий, растворяющийся из анодного слоя в электролите, выделяется над электролитом (верхний катодный слой).

Чистый металл служит катодом. Подвод тока к катодному слою осуществляется графитовым электродом. Ванна работает при 750–800 °С, расход электроэнергии составляет 20 кВт ч на 1 кг чистого алюминия, т. е. несколько выше, чем при обычном электролизе алюминия. Металл анода содержит 25–35 % Cu; 7–12 % Zn; 6–9 % Si; до 5 % Fe и незначительное количество марганца, никеля, свинца и олова, остальное (40–55 %) – алюминий. Все тяжелые металлы и кремний при рафинировании остаются в анодном слое. Наличие магния в электролите приводит к нежелательным изменениям состава электролита или к сильному его ошлакованию. Для очистки от магния шлаки, содержащие магний, обрабатывают флюсами или газообразным хлором.

Рисунок 6 – Схема электролизера с передним горном для рафинирования алюминия

(по Фульда — Гинзбергу): 1 – алюминиевый расплав; 2 – электролит; 3 – рафинированный алюминий высокой частоты; 4 – катод из графита; 5 – магнезитовая стена; 6 – передний горн; 7 – изолирующий слой; 8 – боковая изоляция; 9 – угольная подина; 10 – анодный токопровод; 11 – изоляция подины; 12 – железный короб; 13 –

крышка [15] В результате рафинирования получают чистый алюминий (99,99 %) и продукты сегрегации (зайгер-продукт), которые содержат тяжелые металлы и кремний и выделяются в виде щелочного раствора и кристаллического остатка. Щелочной раствор является отходом, а твердый остаток применяется для раскисления. Рафинированный алюминий имеет обычно следующий состав, %: Fe 0,0005 – 0,002; Si 0,002 – 0,005; Cu 0,0005 – 0,002; Zn 0,0005 – 0,002; Mg следы; Al остальное. Рафинированный алюминий перерабатывают в полуфабрикат в указанном составе или легируют магнием. Рафинирование путем алюмоорганических комплексных соединений и зонной плавкой. Алюминий степени чистоты выше марки A1 99,99 R может быть получен рафинирующим электролизом чистого или технически чистого алюминия с применением в качестве электролита комплексных алюмоорганических соединений алюминия. Электролиз проходит при температуре около 1000 °С между твердыми алюминиевыми электродами и в принципе схож с рафинирующим электролизом меди. Природа электролита диктует необходимость работать без доступа воздуха и при низкой плотности тока. Этот вид рафинирующего электролиза, применяемым сначала лишь в лабораторном масштабе, уже осуществляется в небольшом производственном масштабе – изготовляется несколько тонн металла в год. Номинальная степень очистки получаемого металла 99,999–99,9999 %. Потенциальными областями применения металла такой чистоты являются криогенная электротехника и электроника. Возможно применение рассмотренного метода рафинирования и в гальванотехнике. Еще более высокую чистоту – номинально до A1 99,99999 – можно получить последующей зонной плавкой металла. При переработке алюминия повышенной чистоты в полуфабрикат, лист или проволоку необходимо, учитывая низкую температуру рекристаллизации металла, принимать особые меры предосторожности. Примечательным свойством рафинированного металла является его высокая электропроводность в области криогенных температур. Переработка вторичного сырья и отходов производства является экономически выгодной. Получаемыми при этом вторичными сплавами удовлетворяется около 25 % общей потребности в алюминии [15].

1.3 Производство вторичного алюминия

Важнейшей областью применения вторичных сплавов является производство алюминиевого фасонного литья. В DIN 1725, лист 2 (DIN – это технические нормы, которые разрабатываются, принимаются и публикуются Немецким институтом по стандартизации) наряду со стандартными марками сплавов приведены многочисленные марки сплавов, производимых литейными заводами. Перечень сплавов, выпускаемых этими заводами, содержит, кроме стандартных, некоторые нестандартные сплавы. Безупречное приготовление алюминиевого скрапа в самых разнообразных пропорциях можно осуществлять только на специально оборудованных плавильных заводах. Представление о сложном рабочем процессе на таком заводе дает рисунок 7. Отходы переплавляют после грубой предварительной сортировки. Содержащиеся в этих отходах железо, никель или медь, точка плавления которых выше точки плавления алюминия, при плавке в плавильной пороговой печи остаются в ней, а алюминий выплавляется. Для удаления из отходов неметаллических включений типа окислов, нитридов, карбидов или газов применяют обработку расплавленного металла солями или (что рациональней) продувку газом – хлором или азотом. Для удаления металлических примесей из расплава известны различные методы, например присадка магния и вакуумирование – метод Бекша (Becksche); присадка цинка или ртути с последующим вакуумированием – субгалогенный метод. Удаление магния ограничивается введением в расплавленный металл хлора. Путем введения добавок, точно определяемых составом расплава, получают заданный литейный сплав [12].

Рисунок 7 – Рабочий процесс подготовки алюминиевого скрапа [12]

Лом и отходы алюминия классифицируются по физическим признакам на классы, по химическому составу – на группы и марки, по показателям качества – на сорта. Лом и отходы алюминия и алюминиевых сплавов разделены на три класса (ГОСТ 1639-93): Группа I. Алюминий чистый (нелегированный), содержащий Al – не мене 99 %, примесей – не более 1 %. Группа II. Сплавы алюминиевые деформируемые с низким содержанием магния, не более (%): Mg – 0,8; Cu – 4,8; Fe – 0,7; Si – 0,7; Zn – 0,3. Группа III. Сплавы алюминиевые деформируемые с высоким содержанием магния не более (%): Mg – 1,8; Cu – 4,9; Fe – 0,7; Si – 0,7; Zn – 0,3. Группа IV. Сплавы алюминиевые литейные с низким содержанием меди, не более (%): Si – 13,0; Fe – 1,5; Cu – 1,5; Mg – 0,6; Zn – 0,5. Группа V. Сплавы алюминиевые литейные с высоким содержанием меди, не более (%): Si – 8,0; Fe – 1,6; Mg – 0,8; Zn – 0,6. Группа VI. Сплавы алюминиевые деформируемые с высоким содержанием магния не более (%): Mg – 6,8; Fe – 0,5; Si – 0,8; Cu – 0,2; Zn – 0,2. VII. Сплавы алюминиевые литейные с высоким содержанием магния, не более (%): Mg – 13,0; Si – 1,3; Fe – 1,5; Cu – 0,3; Zn – 0,2. Группа VIII. Сплавы алюминиевые деформируемые с высоким содержанием цинка, не более (%): Zn – 7,0; Mg – 2,8; Cu – 2,0; Fe – 0,7; Si – 0,7. Группа IX. Сплавы алюминиевые литейные с высоким содержанием цинка, не более (%): Zn – 12,0; Si – 8,0; Cu – 5,0; Fe – 1,3; Mg – 0,3. Группа X. Низкокачественные лом и кусковые отходы алюминия и алюминиевых сплавов, не отвечающие требованиям всех групп. Качество лома и отходов определяет возможность их применения взамен первичного сырья для получения готовой продукции. Наиболее эффективно использовать лом и отходы алюминия на выпуск тех марок сплавов, при обработке которых они образовались, так как в данном случае сырье уже легировано необходимыми компонентами, что уменьшает или полностью исключает применение легирующих присадок. Приготовленные в результате этого вторичные сплавы после рафинирования практически не уступают первичным. Не весь металл, используемый в производстве, переходит в готовую продукцию – часть уходит в отходы, а часть – безвозвратно теряется. Лом и отходы алюминия, формируются во всех отраслях промышленности, потребляющих как непосредственно цветные металлы, так и изделия и оборудование, содержащее алюминий. Отходы алюминия и его сплавов в основном образуются при производстве: – металлов и сплавов (шлаки, сплесы, съемы, сор и т.п.); – проката и экструзии (концы, обрезки, опилки, обдирочная стружка); – фасонного литья (шлаки, литники, выпоры, сплесы); – кабельной продукции (концы и обрезь кабеля и проволоки, путанка).

Амортизационный лом получается в результате ликвидации основных средств (оборудования) в промышленности, на транспорте, в строительстве и сельском хозяйстве, при капитальном и текущем ремонте оборудования, агрегатов и конструкций; вследствие износа или прекращения пользования домашнего обихода. Лом и отходы металлов подразделяют на оборотные (перерабатываемые в местах их образования) и товарные, направляемые для переработки на другие предприятия. Переработка лома и отходов в местах их образования – главное направление их рационального использования. Однако объемы переработки лома и отходов в местах их формирования ограничиваются техническими и технологическими возможностями этих предприятий. В среднем доля отходов по вторичному алюминию составляет 75 %, а доля амортизированного лома – 25 %. Наиболее полное и комплексное использование всех ценных компонентов, содержащихся в ломе, может быть достигнуто при условии их переработки на сплавы, аналогичные или близкие по своему составу к исходному сырью. Однако значительная часть лома алюминия вместе с ломом черных металлов поступает на производство стали, ухудшая ее качество. Большое количество лома практически не вовлекается в заготовку. Практически не используется лом консервной тары, в которой поставляется огромное количество напитков. Много алюминия вывозится на свалки, остается в отработанных шахтах, на стройках и других предприятиях [15].

Цель первичной операции переработки вторичного сырья (видовой сортировки лома и отходов алюминия) – разделить лом и отходы на однородные цветные металлы и сплавы, а также удалить черные металлы и неметаллические материалы. Видовую сортировку проводят главным образом вручную. Поставки лома и отходов сопровождаются документацией, из которой можно судить о химическом составе сырья. Однако при отсутствии документации вторичное сырье приходится сортировать по видам, используя различные критерии: – сортировка по внешним признакам (цвет, маркировка, удельный вес, твердость, магнитные свойства и т.п.); – сортировка по химическому составу (спектральный анализ, лабораторный анализ химического состава алюминиевых сплавов, в том числе электроэрозионный); – сортировка по крупности процессом грохочения сухим или мокрым, т.е. с отмывкой подрешетного продукта водой с использованием грохотов: неподвижных колосниковых, цилиндрических и вибрационных; выбор типов грохотов, а также способа грохочения определяется технологией обработки сырья, его свойствами, требованиями к качеству продуктов грохочения; – магнитная сепарация: сортировка алюминиевого лома в тяжелых средах путем помещения сортируемого сырья в суспензию с высокой плотностью, в которой компоненты сырья с малой плотностью всплывают, а тяжелые тонут. Разделение смеси сплавов на группы можно осуществлять в одном, двух и трех колесных сепараторах; – разделка лома и отходов: операции по приведению сырья к габаритам, удобным для дальнейшей переработки, разделению механически связанных деталей из различных сплавов, удалению приделок из других металлов и материалов. Операции разделки: – дробление и резка (переработка крупногабаритного лома и легковесного негабаритного лома); – пакетирование и брикетирование (с целью уплотнения некомпактного сырья в пакеты определенной массы, габаритов и плотности); – обработка отходов: электродвигатели, кабель и другие специфические виды алюминийсодержащего сырья (шлаки и съемы).

На рисунке 8 представлена общая схема линии по дроблению алюминиевого лома.

Рисунок 8 – Система управления линией дробления алюминиевого лома [16]

Данная система была реализована ООО «СПЕЦМАШ» на одном из заводов, занимающихся переработкой цветного металла. Перед металлургическим переделом вторичного сырья используют операции сушки стружки, лома и кусковых отходов, флюсов, шлаков и других продуктов для придания допустимого содержания влаги: в шихте, поступающей на переплав, не более 4 %, а шлаках и флюсе – 1%. Типы сушильных установок: – барабанные; – камерные (для сушки кускового лома и отходов перед загрузкой в плавильную печь для снижения содержания свободной влаги в сырье до 3–4 %); – индукционные (для сушки мелкозернистого материала (дробленого флюса)) и другие. Чтобы получить высокие технико-экономические показатели при переработки стружки ее необходимо очистить от влаги, масла и других механических примесей. После предварительной подготовки лом и отходы подвергаются переработки в плавильных агрегатах. Основные процессы в печи по своей природе можно отнести к теплофизическим, а сопутствующие – к физико-химическим. Металлургические процессы в плавильной печи, как правило, заключаются в переносе тепла и вещества. По методу нагрева плавильные печи для переработки лома и отходов алюминия подразделяются на две основные группы: 1) топливные, обогреваемые газом или мазутом (отражательные – однокамерные, многокамерные, шахтные): – тигельные (поворотные и стационарные), используемые в лабораторных устройствах и в производствах с малым расходом металла; – ванные (стационарные, поворотные и вращающиеся); 2) электрические, обогреваемые электроэнергией (по способу превращения электрической энергии): – печи сопротивления (тигельные и камерные – по форме пространства); – индукционные печи (тигельные и канальные – в зависимости от наличия сердечника).

Основными показателями, характеризующими эффективность работы плавильных агрегатов, являются: – степень извлечения металла в готовую продукцию и величина безвозвратных потерь его; – удельный расход энергии на 1 т выплавляемого сплава; – производительность; – капитальные затраты на сооружение плавильного комплекса; – возможность механизации и автоматизации плавки. Для получения изделий с заданными свойствами, повышают качество сплавов путем удаления из него вредных примесей в процессе рафинирования (металлов, неметаллических включений, газов).

Методы рафинирования: – отстаивание, в процессе которого происходит удаление из алюминиевого расплава водорода и неметаллических включений; – фильтрация, пропуск расплавленного металла через фильтры, при этом происходят очистка металла от неметаллических примесей и частично дегазация; – флюсование и обработка постоянным током; – вакуумирование и обработка ультразвуком; – продувка газами; – комбинированное рафинирование (комбинация способов рафинирования); – удаление металлических примесей (воздействие химическими реагентами, разделение фаз кристаллизацией, вакуумная дистилляция, электролиз и комбинация этих методов); модифицирование сплавов (процесс изменения структуры литого сплава под действием небольших количеств специально вводимых добавок (модификаторов) [16].

Алюминий может переплавляться множество раз без потери своих свойств. Вторичный алюминий применяется: – автомобилестроении; – машиностроении; – самолетостроении; – производстве мебели; – для раскисления сталей, при производстве ферросплавов; – при алюминотермии. Главным потребителем вторичного алюминия является автомобильная промышленность. Средний автомобиль сегодня содержит более чем 120 кг алюминия. Тысячи дилеров по всему миру собирают отходы алюминия для дальнейшей поставки на перерабатывающие заводы, которые из этих отходов производят снова алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы могут переплавляться снова и снова без потери первоначальных свойств. Около 60 % алюминия, используемого сегодня в автомобилях является вторичным алюминием. Вторичный алюминий также нашел место и во многих других индустриальных и домашних применениях. Алюминиевая промышленность ожидает, что объем потребления вторичного алюминия будет устойчиво расти в следующие два десятилетия. Автомобильная промышленность в будущем прогнозирует, что вторичный алюминий будет составлять до 90 % от общего объема алюминия в автомобиле [16].

1.4 Производство алюминия в России

Производство алюминия в мире неуклонно растет. Благодаря своим конструкционным и эксплуатационным качествам использование алюминия увеличивается во всех отраслях мировой экономики. Сегодня спектр применения алюминия это машиностроение, аэрокосмический комплекс, производство упаковки и тары, судостроение, промышленное и гражданское строительство. Например, в современном строительстве используются самые разные виды продуктов из алюминия, а в качестве материала для высоковольтных линий электропередачи алюминий практически вытеснил медь. Половина посуды для приготовления пищи, продаваемой во всем мире каждый год, сделана из алюминия. В условиях растущих конструкционных и экологических требований алюминий часто оказывается вне конкуренции по техническим, технологическим и экономическим показателям. Алюминий вытесняет черные металлы в тех отраслях, где высокие требования к снижению массы продукции. Так, увеличивается использование этого металла в автомобильной промышленности. По совокупности эксплуатационных качеств, включая экологические требования, с учетом перспективы многократного использования металла алюминий в некоторых отраслях производства вытесняет и пластмассы. Алюминиевая отрасль сегодня является одним из лидеров российской промышленности и сейчас ее предприятия работают с максимальной отдачей. По количеству производимого первичного алюминия Россия уступает только Китаю. У нас выпускается 15 % мирового глинозема и 12 % – алюминия, причем за последние пять лет объемы его производства стабильно возрастали на 1,5–3,5 % в год. По объемам экспорта легкого металла наша страна является мировым лидером. Более 80 % выпущенного российскими заводами алюминия отправляется за рубеж [17].

Неуклонное увеличение промышленных выбросов, вызванное ростом объемов производства в России, привело к тому, что загрязнение окружающей среды стало серьезным экологическим фактором. В настоящее время признано, что по влиянию на растительный покров соединения фтора являются одними из самых токсичных. В частности, если сернистый газ оказывает воздействие на растения при концентрации 1 ppm, то влияние фтора сказывается уже при 0,001 ppm. Фторид водорода поступает в атмосферу в основном при производстве первичного алюминия, минеральных удобрений, стекла, фторорганических соединений, а также при разложении фторидных веществ. Электролитический способ производства алюминия из глинозема, в котором в качестве электролита используют расплав криолита и фторида алюминия, связан с выделением в атмосферу ряда фторидных соединений, в основном HF, SiF4, NaF, Na3AlF6 и др. В отличие от зарубежных заводов по производству первичного алюминия для отечественных предприятий характерна высокая концентрация производства и сравнительно низкий уровень утилизации выделяющихся вредных веществ. В основном на них применяются технологии с использованием самообжигающихся анодов, которые имеют высокие удельные выбросы фторидов, пыли и органических соединений. По имеющимся данным, в воздухе производственного корпуса содержание HF достигает величины не менее 0,3 мг/м3. При этом не учитываются фонарные выбросы, поступающие через аэрационные фонари производственных корпусов, содержание фторидов в которых часто превышает факельные выбросы, поступающие в атмосферу через дымовые трубы, вентиляционные и аспирационные системы. Поэтому реальная степень очистки составляет 30–75 %. Во многих публикациях о работе заводов по производству алюминия приводятся данные об очистке именно факельных выбросов, а проблема обезвреживания фонарных выбросов замалчивается. В настоящее время вследствие модернизации подобных производств, применения современных технологий и разработки электролизеров нового поколения, доля фонарных выбросов при производстве первичного алюминия неуклонно снижается, но составляет тем не менее ощутимую часть газовых выбросов заводов. В радиусе 15 км от алюминиевых заводов осаждается не более 15 % общего количества фтора. Мелкодисперсные и газообразные соединения могут переноситься на расстояние более 50 км. Как правило, заводы расположены вблизи лесных массивов, которые являются естественными преградами вредных химических выбросов. Однако длительное воздействие газовых эмиссий оказывает губительное действие на деревья, особенно на хвойные породы (ель, сосна, кедр, лиственница, пихта).

Установлено, что накопление фторидов в древесной ткани при воздействии газообразного фторида водорода происходит в 30–40 раз быстрее, чем под действием микрочастиц твердых фторидов. За период эксплуатации крупных алюминиевых заводов (Братский, Красноярский, Иркутский и др.) зоны, где хвойные деревья усохли более чем на 50 %, занимают десятки километров. Если не принимать действенных мер по снижению газовых выбросов алюминиевых заводов, то так называемые естественные защитные лесные зоны в основном мертвой тайги будут простираться на многие сотни километров [18].

Алюминиевую промышленность можно заслужено считать основным поставщиком сильнейшего токсиканта, фторида водорода, а с учетом присутствия в газах других кислых компонентов реальное вредоносное воздействие эмиссии фторида водорода на экологические системы увеличивается в сотни раз. Следовательно, для того, чтобы действительно резко снизить экологическую опасность алюминиевых производств, необходимо разработать эффективные технологии по извлечению из отводимых газов фторида водорода в максимально возможной степени и на более ранней стадии. Использование вторичных металлов имеет важнейшее значение, поскольку обеспечивает большую экономию общественного труда. Это связано с тем, что затраты на вовлечение металлоотходов в оборот значительно меньше, чем на выплавку первичного металла из руды.. Так при выплавке алюминия из вторсырья экономиться 95 % энергии. Выработка цветных металлов из отходов является важнейшим источником их производства. Однако у нас в стране доля вторичных цветных металлов в общем объеме их производства значительно ниже, чем в технически развитых странах (таблица 1).

Объясняется это тем, что большое количество отходов цветных металлов, особенно содержащихся в бытовых отходах, теряется на местах их образования, засоряя окружающую среду. Между тем цветные металлы, содержащиеся в бытовых отходах, являются ценнейшим сырьем, и население должно участвовать в его сборе. Таблица 1 – Доля вторичных цветных металлов в общем балансе [19]

Металл Россия Страны ЕС

Алюминий 20 55

Медь 30 35

Свинец 23 50

Цинк 18 37

Баночный алюминиевый лом составляет до 40 % используемого лома этого металла. В США работает более 10000 пунктов сбора банок, в 3000 крупных магазинов и кафе установлены автоматы по сбору и первичной обработке банок. В Англии ежегодно собирают около 2 млрд. консервных банок. Эксплуатация действующих систем сбора отходов в странах Европы, США и Японии показывает высокую готовность населения этих стран проводить раздельный сбор бытовых отходов, т. е. его высокую экологическую культуру [19].

Преимущества получения цветных металлов из отходов по сравнению с их получением из рудного сырья характеризуются данными, приведенными в таблице 2 [19].

Таблица 2 – Сравнение основных показателей производства цветных металлов из рудного (числитель) и вторичного (знаменатель) сырья [19]

Металлы

Показатели

Алюминий Медь Свинец Среднее содержание в сырье, % 39,6/80 0,76/75 1,39/50 Извлечение в готовую продукция, % 87/92,4 80/90 80/95 Расход условного топлива на 1 т готовой

9/0,27 1,3/0,2 0,7/0,5 продукции, т Количество отходящих газов на 1 т готовой

30/5 40/4 20/5 продукции, тыс. м3/т

1.5 Описание жизненного цикла алюминиевой банки

1.5.1 Характеристика алюминиевой банки

Алюминиевая банка представляет собой контейнер, изготовленный из алюминия и предназначенный для хранения и транспортировки прохладительных и алкогольных напитков. Эта распространенная в наши дни упаковка имеет одно неоспоримое преимущество перед другими – она пригодна для переработки сколько угодно количество раз, независимо от того, как долго ее используют. Дополнительный плюс алюминиевой банки – ее небольшой вес, что позволяет значительно сократить стоимость перевозки продуктов в такой упаковке [20].

Общий вид типичной пивной банки и назначение различных ее элементов показаны на рисунке 9. Основные параметры и размеры банок. Существует нормативный документ ГОСТ Р 51756-2001 «Банки алюминиевые глубокой вытяжки с легковскрываемыми крышками». Согласно ему основные параметры и размеры пивных алюминиевых банок следующие (с точностью до 1 мм) приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные параметры и размеры банок [21]

Параметр Размер, мм

Высота банки емкостью 0,33 л 115

Высота банки емкостью 0,05 л 168

Диаметр дна банки 66

Диаметр крышки 59

Рисунок 9 – Общий вид типичной пивной банки и назначение различных ее

элементов [21]

Корпус алюминиевой банки изготавливают путем вытяжки за два прохода из плоской круглой заготовки так называемой «чашки». Затем стенки этой чашки утоняют при их последовательной раскатке до толщины всего лишь в одну треть от первоначальной. Дно банки профилировано особым образом не только для того, чтобы выдерживать высокое внутреннее давление, но и для хорошего совмещения с крышкой нижестоящей алюминиевой банки – для удобства упаковки. Стенку банки раскатывают до толщины 0,110 мм почти по всей высоте. В верхней части корпуса банки стенка толще – 0,16 мм. Это нужно как для удобства формирования суженой «горловины», так и для создания прочного соединения с крышкой. Типичное поперечное сечение алюминиевой банки представлено на рисунке 10.

Рисунок 10 – Типичное поперечное сечение алюминиевой банки [21]

Алюминиевые крышки банок поставляют отдельно и устанавливают на корпус с помощью известного шва «двойной замок» сразу после наполнения банки пивом или другим напитком. Начало бурного роста популярности алюминиевых пивных банок относится к 1964 году, когда была изобретена крышка, которая открывалась голыми руками простым поворотом специального «ушка». Ушко устанавливают на крышку с помощью, так называемой интегральной заклепки. Ее называют интегральной, потому что она формируется непосредственно из металла крышки. Задача ушка и лепестка (его называют еще и «язычком»), добиться хлопка выходящего углекислого газа при усилии на ушке около 3 кг и полного проталкивания лепестка (язычка) внутрь банки при усилии до 7 кг, причем лепесток должен остаться висеть внутри банки. Это достигается выполнением по периметру лепестка специальных насечек такой глубины, что остается только 0,085 мм металла вблизи заклепки и 0,110 мм на противоположной стороне. В то же время, материал на насечках достаточно прочен, чтобы не разрушаться в ходе технологического процесса или при разгрузке в магазине. Внутри лепестка можно заметить еще один, внутренний ряд насечек. Они не такие глубокие и служат, как утверждают, для направленного течения металла на основных насечках и предотвращения разрывов основных насечек при их формировании. Алюминиевые пивные банки легчают год от года. Современная пустая банка емкостью 0,5 л – корпус, крышка и механизмы открывания для алюминиевой банки – весит около 15 г. Главным требованием к материалам пивных банок является их способность к формовке с большими пластическими деформациями. Алюминиевые сплавы подходят в этом смысле идеально. Кроме того, для крышек пивных банок важна способность предсказуемо разрываться по насечкам. Алюминий справляется с этим намного лучше, чем сталь. Еще одним положительным моментом является то, что и корпус, и крышка – алюминиевые, что сводят к минимуму любые возможные гальванические эффекты, которые могли бы приводить к ускоренной коррозии. Детали пивных банок изготавливают из алюминиево-марганцевых и алюминиево-магниевых сплавов (таблица).

Для корпуса банки применяют ленты толщиной 0,30 мм из алюминиевого сплава 3004 или его модификации – алюминиевого сплава 3104 – в состоянии Н19. Для крышек применяют лакированную ленту из алюминиевого сплава 5182 в состоянии Н48 толщиной 0,26 мм, а для изготовления «ушек» – ключей легкого открывания – ленту из алюминиевого сплава 5042 в состоянии Н18 толщиной 0,45 мм [21].

Для изготовления банок и крышек должны применяться следующие материалы: – для банок: лента алюминиевая, нелакированная из сплава 3104 по нормативочному документу; – для крышек: лента алюминиевая, лакировочная из сплава 5182 по нормативочному документу, допускается изготовление ключика крышки из нелакированной алюминиевой ленты сплава 5182; – белое или тональное грунтовочное покрытие по нормативному документу; – лаки для внутренней и наружной поверхности банок по нормативным документам; – паста уплотнительная по нормативочному документы; – краски печатные по нормативочным документам. Материалы, используемые для изготовления банок и крышек, должны быть допущены Минздравом России для контакта с пищевыми продуктами. Допускается использовать для изготовления банок и крышек другие материалы, разрешенные Минздравом России для контакта с пищевыми продуктами и обеспечивающие качество банок и крышек не ниже указанного. Банки и крышки поставляются комплектно. По согласованию с заказчиком допускается раздельная поставка банок и крышек. На каждой банке должны быть указаны: товарный знак изготовителя, дата и смена изготовления, номинальная емкость банки. По согласованию с потребителем на банку наносят маркировку, надписи и рисунки, характеризующие продукции. На каждую единицу транспортной тары наклеиваются ярлыки с маркировкой по ГОСТ Р 51121. Банки формируют в транспортные пакеты по ГОСТ 23285 на поддонах или транспортные пакеты по другим нормативным документам с разделением рядов банок прокладками из листового материала (например, из картона или полимерного материалов).

Сверху устанавливаются деревянную или металлическую раму размером поддона, обвязывают пакет полимерной обвязочной лентой и (или) обертывают растягивающейся полимерной пленкой. Крышки укладывают в стопы и упаковывают в бумажные пакеты по ГОСТ 24370. Пакеты с крышками укладывают на поддоны и обертывают растягивающейся полимерной пленкой. Размеры поддона и транспортного лотка – по ГОСТ 24597. Высота транспортного пакета не должна быть более 2,5 м [22].

1.5.2 Производство алюминиевой банки

Принципиальная схема производства алюминиевой банки представлена на рисунке А.1 в приложении А. Алюминиевые листы в рулонах привозятся на завод. Затем алюминиевый лист разматывается и направляется под пресс, при помощи которого в нем выбиваются кружочки. Эти кружочки и являются заготовками для производства алюминиевых банок. Штамповочный пресс одновременно выполняет сразу две операции. Сначала он выбивает из листа металла диск диаметром около 14 см, а потом загибает их в виде чаши. Заготовки отправляются в другой автомат, который делает корпуса для банок, растягивая кусочки алюминия под высоким давлением. Алюминий – прочный металл, но и он при повышенных механических нагрузках может деформироваться. Чтобы этого не произошло, в автомате используется специальная смазка, предохраняющая алюминий от разрывов при натяжении. Кроме того, смазка выступает в роли охладителя (при растяжении алюминий, как и многие другие металлы, сильно нагревается).

Корпуса будущих банок формируются, а их края очищаются и выравниваются. Банки переворачиваются вверх донышком и в таком положении подаются в моечные машины. Мойка разбивается на целых шесть операций. Первые две заключаются в мытье заготовок соляной кислотой, нагретой до 60 0С, а последние четыре – поэтапное мытье банок деионизированной водой (это нейтральная вода с нулевым водородным показателем), которая также нагревается до температуры 60 0C. После мойки баночки направляются на сушку. Этот этап проходит при участии сушильного автомата. Кислота удаляет с поверхности алюминия тонкий слой металла, что придает банкам характерный блеск. После сушки при помощи валика донышко банок покрывается тонким слоем лака, который облегчает скольжение банки по конвейеру (при розливе напитков в тару) и в торговых автоматах, через которые продается готовая баночная продукция. Надписи и рисунки на банки наносятся при помощи ротационной печатной машины, которая позволяет наносить по очереди до пяти различных цветов. Производительность этого оборудования составляет около 1500 банок в минуту. Чтобы закрепить слой краски на алюминии, поверх него наносится защитный лак. После нанесения краски банки снова переправляются в сушильную камеру, где краска тут же высыхает, а лак отвердевает. Затем заготовки снова лакируются, но на этот раз – с внутренней стороны. Для этого используется безопасный лак на водной основе. Он образует защитную пленку, предохраняя содержимое банки от непосредственного контакта с алюминием. Иначе напиток может приобрести неприятный металлический привкус, а алюминий может подвергнуться коррозии под действием агрессивных веществ, входящих в состав кислых газированных напитков. Наконец, на предпоследнем автомате формируется горловина банки шириной в пять сантиметров. Это достаточно сложный процесс, так как алюминий по тонкости может сравниться с бумагой. Чтобы при формировании горлышка он не порвался, вся операция подразделяется на 11 этапов. После того, как горлышко будет готово, специальная машина образует изогнутый верхний край банки, к которому чуть позже прикрепляется крышка с язычком для открывания. Сами крышки производятся отдельно от банок, и поставляются в таком виде на производство напитков. Уже после наполнения банки крышка надежно заваривается на горлышке. Готовые банки оцениваются по качеству. На крупных производствах для этого используется целая видеосистема, при помощи которой фотографируется внутренняя часть банки. Упаковка с любыми дефектами (вмятинами, трещинами, посторонними вкраплениями, краской с внутренней стороны и т.д.) направляется на вторичную переработку [21].

1.5.3 Способы утилизации продукции, потерявшей свои потребительские

свойства

Утилизацию банок и крышек осуществляется с требованиями ГОСТ 1639. Банки и крышки не образуют токсичных соединений при температуре окружающей среды и не представляют вреда для природной среды и здоровья человека при хранении, транспортировки и утилизации. Часть лома алюминиевых банок переплавляют в обычных или роторных плавильных печах. Простой переплав отходов алюминиевых банок дает примерно такой состав алюминия: Si – 0,19 %; Fe – 0,57 %; Cu – 0,29 %; Mn – 0,72 %; Mg – 0,83 %; Zn – 0,07 %; Li – 0,01 %; Cr – 0,014 %; Pb – 0,01 %; Ti – 0,01 %, остальное – Al. Подавляющая часть металла из лома алюминиевых банок – около 80 % – возвращается к производителям новых банок. Сложность переплава стружки и легковесного лома алюминиевых сплавов состоит в том, что эти продукты имеют большую активную поверхность, покрытую своим окислом, при расплаве окислы соединяются в пелену, плавающую в основной массе металла. Эта пелена влияет на однородность металла и механические его свойства. Поэтому плавку необходимо вести под слоем специального флюса связывающего и выводящего их на поверхность расплава. Для уменьшения расхода флюса при переплаве следует использовать алюминиевую шихту, мало загрязненную песком и глиной. Чтобы избежать взрывов и выбросов металла из печи, а также повышения содержания водорода в металле отходы перед плавкой следует просушить. Для удобства ведения плавки легковесные отходы желательно компактировать прессованием. Размеры прессовки должны позволять ей свободно, с гарантированным зазором, входить в тигель печи. Массу плавки желательно иметь кратной массе прессовки. Плавку ведут в индукционной печи в тигле. Сначала в пустой тигель загружают флюс и нагревают его до полного расплавления с образованием легкоподвижной жидкости. Количество добавляемого флюса должно быть таково, чтобы слой расплава имел бы толщину примерно в 1 см. Затем в тигель вводят первую порцию шихты и добиваются ее полного расплавления. После полного расплавления очередной порции шихты металл перемешивают и присаживают следующую порцию шихты. Плавку ведут при 700–750 0С (красное свечение).

По ходу плавки флюс загрязняется примесями и теряет активность. Свежий флюс легкоподвижен и полностью покрывает металл. Флюс, частично потерявший активность становится вязким, собирается в камни, обнажая поверхность металла, которая сохранят зеркальный блеск. Если флюс потерял активность в значительной степени, то поверхность металла после перемешивания становится неровной, морщинистой. Для увеличения активности такого флюса в печь следует присадить небольшую порцию свежего флюса и перемешивать. В конце плавки, после заполнения всего тигля металлом удалить отработанный флюс с помощью ложкой, после чего вылить металл в изложницу. Чтобы уменьшить содержание кристаллов алюминия в удаленном флюсе, его следует разжижить небольшой присадкой свежего флюса. Можно также несколько увеличить температуру металла. В случае необходимости флюс, потерявший активность можно удалять не только перед выпуском, но и по ходу плавки. Расход флюса зависит от условий плавки. По результатам плавок в промышленных индукционных печах расход его составляет 2–10 % от массы шихты. Плавку алюминиевых отходов проводят под слоем флюса, который защищает металл от окисления и растворяет оксид алюминия, имеющийся на алюминии, способствуя плавлению отходов в однородный состав. Флюс должен удовлетворять следующим требованиям: – температура плавления должна быть ниже температуры плавления алюминия (659 0С); – плотность должна быть ниже плотности жидкого алюминия (2,3 г/см3) не менее чем на 10%; – флюс должен хорошо поглощать (растворять) оксид алюминия, очищая от его металл; – межфазная энергия флюса на границе с алюминием должна быть достаточно большой, чтобы предотвратить запутывание капель металла во флюсе. Этим требованиям удовлетворяет разработанный нами флюс, полученный на основе хлоридов натрия и калия. Можно использовать чистый криолит, но в этом случае следует добавлять фтористый алюминий для поддержания необходимого криолитового числа. Компоненты флюса должны быть измельчены до фракции 0,5 мм. Далее компоненты взвешивают и тщательно перемешивают до получения однородной смеси. Для уменьшения содержания водорода в переплавляемом металле перед загрузкой в печь флюс необходимо прокалить при температуре 200–250 0С или, лучше, проплавить. Состав алюминиевого шлака: Mg, Cu, Si, Ca, Al, Mn, много Na и K (KCl и NaCl), примеси Fe, Ti, Pb, Sn, Zn. Состав нерастворимого в воде остатка после выборки Al металлического: 1) Mg, Si, Cu, Al, Na, Zn, Ti, следы Mn, Fe; 2) содержание нерастворимого в воде остатка 45 %; 3) содержание Al 5,9 %. В фильтре после фильтрации н/р остатка: 1) Mg, Si, Al, Cu много меньше, чем в н/р в воде остатке; 2) Na, Zn, Ti не обнаружено; 3) Состав получаемого алюминия при переплавке банок: Si – 0,19 %; Fe – 0,57 %; Cu – 0,29 %; Mn – 0,72 %; Mg – 0,83 %; Zn – 0,07 %; Li – 0,01 %; Cr – 0,014 %; Pb – 0,01 %; Ti – 0,01 %; остальное – Al [23].

Плавку стружки и легковесного лома, медь содержащих материалов (бронзы, латуни и т.д.) проводиться аналогично в индуцированной печи с тиглем, Защитную функции от окисления металла при плавке обеспечивает специальная конструкция тигля и его материала. Плавку ведут при максимальной мощности генератора тока высокой частоты. После металл пред разливкой обязательно раскислить. Алюминиевые банки изготавливают из нескольких различных алюминиевых сплавов и только из них. В корпусе банки применяют алюминиевый сплав 3004 или алюминиевый сплав 3104, которые очень близки по химическому составу: марганца и магния в среднем по 1 %, меди – до 0,25 % и железа – до 0,7–0,8 %. Крышку банки делают из сплава 5182. В этом сплаве магния уже 4–5 %, а марганца – 0,20–0,50 %. Ключ для открывания банки дает самый малый вклад в общую массу банки. Его изготавливают из сплава 5042 с содержанием магния 3–4 % и марганца – 0,20–0,50 %. Обычно алюминиевые банки поступают на переплавку в виде брикетов весом до 400 кг и плотностью не более 500 кг/м3. Эти брикеты удобны для транспортировки, но не годятся для прямой загрузки в печь для переплавки в материалы, которые пойдут на изготовление новых банок. Поэтому эти брикеты подвергают измельчению и сортировке, чтобы убедиться, что в них нет жидкостей или взрывоопасных материалов. Это очень важно для обеспечения безопасности литейщиков и сохранности литейного оборудования. Для этого применяют специальную измельчающую машину – шредер. Из этого шредера измельченный лом проходит через магнитный сепаратор, который удаляет магнитные стальные примеси. После магнитного сепаратора лом проходит воздушный нож, на котором отделяются материалы, которые тяжелее алюминия: свинец, цинк и нержавеющая сталь. После операции измельчения и сортировки, измельченные и отсортированные алюминиевые банки (или то, что от них осталось) поступают на оборудование для удаления лака. Применяют два подхода непрерывного термического удаления лака. Один основан на относительно длительном выдерживании измельченного алюминиевого лома при определенной температуре, а другой – на коротких циклах нагрева с постепенным повышением температуры до чуть ниже температуры плавления. В первом случае применяют конвейерную печь, в которой измельченные алюминиевые банки проходят через камеру при температуре около 520 °С. Эта камера содержит продукты сгорания лака, которые разбавляют воздухом для создания благоприятной для удаления лака атмосферы. При втором подходе применяют роторную печь со сложной системой рециркуляции продуктов сгорания. Температура последней стадии – около 615 °С, что очень близко к температуре, при которой происходит начало плавления в алюминиево-магниевых сплавах, из которых обычно изготавливают крышки (сплав 5192) и ключи для открывания (сплав 5042) пивных банок. Обе системы могут иметь проблемы, которые приводят к неполному удалению лака. Если температура слишком низкая или длительность обработки слишком короткая, то на поверхности алюминия остается черное смолянистое покрытие. Это приводит к возгоранию лома при его плавлении и чрезмерным потерям металла за счет угара. Если же температура слишком высока или длительность обработки слишком велика, то это приводит к значительному окислению лома и также приводит к повышенным потерям металла. Горячий, «делакированный» алюминиевый лом поступает затем в термомеханическую камеру-сепаратор. В этой камере поддерживается заданная температура и неокисляющая атмосфера. В ней крышки банок из сплава 5182, а также ключей из сплава 5054, подвергают легкому механическому воздействию, в результате которого они разбиваются на мельчайшие фрагменты по границам зерен. Весь процесс основан на том, что под воздействием узкого интервала температуры размягчаются только границы зерен. Эти мелкие фрагменты из сплавов 5181 и 5054 непрерывнодля плавления лома алюминиевых банок обычно применяют специальные печи. При плавлении образуется значительное количество шлака – смеси металла, оксидов и других загрязнений. Этот шлак содержит много газов, поэтому хорошо плавает сверху расплава. Его удаляют и отправляют на восстановление из него металла. Обычно вес шлака составляет около 15 % от начальной загрузки лома. Из этой специальной печей расплав передают в непрерывную плавильную печь, в которую дополнительно загружают крупный алюминиевый лом и первичный нелегированный алюминий для получения нужного объема и приблизительного химического состава заданного сплава. Из непрерывной плавильной печи расплав передают в печь-миксер. Там производят подшихтовку расплава – делают необходимые добавки металлов и лигатур для получения заданного химического состава сплава. В этой же печи производят обработку расплава, например, продувку инертным газом для удаления нежелательных неметаллических включений. Чистый и с нужным химическим составом расплав разливают в слитки весом до 15 т. При разливке слитков и прокатке слитка в лист в лом может уйти до 40 % металла исходного количества расплава. Это происходит при обрезке концов, краев и тому подобных операциях. Этот лом называют внутренним. Он является очень ценным, так его химический состав полностью совпадает с заданным. Его сразу направляют на переплав изготовителю слитков. Алюминиевые ленты для корпусов и крышек банок поставляют производителям банок. В результате процесса производства алюминиевых банок около 20 % алюминиевой ленты (или 13 % от исходного расплава) возвращается производителю слитков в виде производственных отходов – остатков листов с отверстиями на месте вырезанных заготовок для корпусов и крышек банок. В целом, около 55 % количества исходного расплава в миксере уходит во внутренний, производственный лом. Если бы все банки возвращались в виде алюминиевого лома, то для замыкания цикла переработки старых алюминиевых банок в новые нужно было пополнять только потери алюминия от угара – всего несколько процентов [24].

1.5.4 Экологический аспект производства алюминиевой банки

Переработка лома алюминиевых банок в новые банки считается замечательным примером почти безотходного производственного процесса. Именно переработка лома алюминиевых банок сыграла главную роль в росте рынка алюминиевых банок для пива и газированных напитков. Во всем мире продается более 350 миллиардов алюминиевых банок. В Швеции в лом поступает более 90 % алюминиевых банок, в США, Австралии, Канаде, Японии, Южной Корее и Китае – более 80 %, в целом в мире – немногим более 50 %. Одна из главных проблем производителей алюминиевой тары – изменение цен на алюминий. Объемы его потребления во всем мире стремительно увеличиваются с каждым годом. Так, например, в 2010 году рост составил около 13 %, в 2011 году – около 10 %, а в 2012 году – примерно 7 %. Производители рассчитывают, что к 2020 году потребление алюминия удвоится по сравнению с показателями 2010 года. Правда, основные их надежды возлагаются на Китай, рынок которого развивается еще более стремительно. Вторая проблема – рост потребления и удорожание электроэнергии. Переработка алюминиевых банок может происходить несколькими способами. При одном способе переработки, отсортированные от постороннего мусора банки, нарезают на мелкие куски, в то же самое время, просушивая их и очищая при помощи электромагнита от стальных включений. После этого они сминаются в брикеты и отправляются на металлургические предприятия. Полученный таким способом продукт требует дополнительной обработки из-за высокого содержания органических примесей. Другой способ позволяет перерабатывать алюминиевые банки, получая на выходе материал в виде алюминиевого порошка или пластинчатых чешуек необходимого размера. Такой способ подразумевает несколько стоящих друг за другом в производственной цепочке процессов классификации, измельчения, удаления примесей. Этот способ позволяет значительно уменьшить количество органики в конечном продукте, который, однако, имеет высокую себестоимость из-за большого количества измельчающего оборудования, и, следовательно, из-за больших площадей, необходимых для размещения производства.

Существует также способ, основанный на пиролизе. В этом случае алюминиевые банки на первом этапе тщательно промывают, отсортировывая от другого мусора. Далее их подают в измельчитель, получая на выходе квадратные кусочки алюминия со стороной в 2,5 см. Следующим этапом является пиролиз, когда в отдельной камере полученные алюминиевые «чипсы» подвергают нагреванию до температуры на 100 0С превышающей температуру плавления алюминия, то есть до 750 0С . При этой температуре все органические примеси выгорают, а полученный алюминий заливают в чистые чугунные формы, получая бруски стандартной формы и массы [24].

Интересные факты по переработке металлов:

• переработка алюминиевой банки сохраняет энергию, равную 0,2 л бензина;
• энергии, сохраненной при переработке одной алюминиевой банки, достаточно для того, чтобы телевизор работал 3 часа;

• при производстве стали из переработанного сырья экономиться в 4 раза больше энергии, чем при производстве железной руды;
• энергии, сохраненной при переработке 0,5 кг стали, достаточно для работы лампочки в 60 Вт в течении 24 часов;

• при сохранении энергии снижаются выбросы в атмосферу, например, при переработке 1 т стали, сохраняется около 1100 кг железной руды, около 450 кг угля и 18 кг известняка;

• переработка металла сокращает выбросы в атмосферу, например, в 1999 году за счет переработки алюминиевой банки выбросы в атмосферу и сбросы сократились на 3,37 мил. тонн.

В таблице 4 представлены стратегические экологические мероприятия по снижению нагрузок на окружающую среду на каждом этапе жизненного цикла алюминиевой банки.

Таблица 4 – Стратегические экологические мероприятия по снижения нагрузок на окружающую среду

Этап жизненного Экологические Стратегическое

Экологические экологические мероприятия цикла алюминиевой аспекты по снижению нагрузок на

эффекты

банки окружающую среду

Добыча, производство Истощение природных Глинозем. Вода. Использование и транспортировка ресурсов. Загрязнение Дизельное топливо современных «щадящих» Окончание таблицы 4

Атмосферы. Загрязнение водной Смазочные материалы, способов добычи сырья.

сырья среды. Уничтожение почвенного отработанные Избегание ненужного

покрова. Изменение ландшафта. автопокрышки, употребления.

Возникновение техногенных аккумуляторы, Использование сырья

ландшафтов. Опасное шумовое автозапчасти, ветошь. СО, вторичного и

воздействие. Образование СО2, NО2. Шумовое, возобновляемого сырья.

большого количества отходов. вибрационное Комплексное

Нарушение природных воздействие. Образование использование

экологических систем. твердых отходов минерального сырья.

Уничтожение, деградация, Использование местного

угнетение растительности. сырья (сокращение до

Ликвидация мест гнездования минимума

птиц. Распугивание животных, транспортировки).

нарушение их путей миграций. Исключение потери сырья и

Изменение гидрогеологического пыления при

режима. Изменение транспортировке и добыче.

напряженного состояния Экологический мониторинг.

пластов.

Изготовление Потребление энергии. Металлическая стружка и Изготовление из отходов алюминиевой банки Образование отходов. Опасное легковесный лом, производства

шумовое воздействие. отработанные масла, сопутствующих изделий,

Загрязнение атмосферы.

дионизированная вода, переплавка лома.

Загрязнение окружающей среды.

кислота, отходы Сбережение ресурсов.

лакокрасочных средств и Экологический мониторинг.

краски. Электроэнергия.

Выбросы в атмосферу.

Шум, вибрация. Топливо

СО, СО2, NО2.

Присутствуют вредные и

опасные факторы

производства.

Электробезопасность.

Упаковка и доставка Оборудование готовых банок Загрязнение атмосферы Электроэнергия. Выбросы автотранспорта, производителю выхлопными газами. в атмосферу СО, СО2, перевозящего сыпучие

Образование отходов. NO2. Бензин. Дизельное грузы, съемными тентами.

топливо. Смазочные Экологический мониторинг

Потребление энергии.

материалы, отработанные

автопокрышки,

аккумуляторы, авто

запчасти. Шум.

Образование большого Употребление и количества отходов Загрязнение Металлическая стружка и Вторичная переработка. повторное атмосферы. Нарушение легковесный лом, Изготовление использование ландшафта. Загрязнение отработанные масла, сопутствующих товаров.

окружающей среды и т.д.

отходы лакокрасочных Пункты приема банок.

средств и краски, шлак, Использование банок в

Электроэнергия. Выбросы домашних условиях

в атмосферу. Шум, Экологический мониторинг

вибрация. Топливо СО,

СО2, NО2. Присутствуют Таким образом, анализируя жизненный цикл алюминиевой банки по основным этапам можно выявить возможные воздействия на окружающую среду на всех этапах жизненного цикла. Определить наиболее существенные риски на каждом этапе жизненного цикла алюминиевой банки. Это дает возможность предусмотреть экологические мероприятия по снижению негативных нагрузок на окружающую среду на всех этапах жизненного цикла.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Методологическая структура ОЖЦ

Согласно ГОСТ Р ИСО 14040, существует четыре стадии исследования ОЖЦ [9].

Связь между стадиями представлена на рисунке 11. Стадиями ОЖЦ являются: 1. стадия определения целей и области исследования; 2. стадия инвентаризационного анализа; 3. стадия оценки воздействия; 4. стадия интерпретации.

Рисунок 11 – Стадии ОЖЦ и связь между ними [26]

Рассмотрим подробно каждую стадию.

2.1.1 Определение целей и области исследования

Цель проведения ОЖЦ устанавливает: − предполагаемое применение; − причины проведения исследований; − предполагаемую аудиторию, например, кого предполагается

проинформировать о результатах исследования, и − предполагается ли использовать результаты при сравнительных

утверждениях, предназначенных для информирования общественности

[26].

Область исследования должна быть установлена достаточно точно, чтобы широта, глубина и детализация исследования соответствовали и были достаточными для достижения установленной цели. Область исследования включает: − исследуемую продукционную систему; − функции продукционной системы или систем в случае проведения сравнительных исследований; − функциональную единицу; − границу системы; − процедуры выделения; − выделенные категории воздействия и методологию оценки воздействий, а также используемую впоследствии интерпретацию; − требования к данным; − предположения; − ограничения; − требования к качеству первоначальных данных; − тип критического анализа, если таковой проводится; − тип и формат отчета, необходимого для исследования [26].

ОЖЦ является итеративным методом, и по мере сбора данных и информации различные аспекты области исследования могут потребовать включения изменений в целях выполнения первоначально установленной цели исследования. Система может иметь несколько возможных функций, и выбор для проведения исследования одной или нескольких из них зависит от установленных цели и области исследования ОЖЦ. Функциональная единица определяет количественное значение идентифицированных функций (рабочих характеристик) продукта. Первоочередной задачей функциональной единицы является обеспечение наличия сравнительного образца, к которому относятся входные и выходные потоки. Такой образец необходим для обеспечения сравнимости результатов ОЖЦ. Сравнимость результатов ОЖЦ является особенно критичной при оценке различных систем для обеспечения проведения подобных сравнений на общей основе. Представляется важным определить эталонный поток в каждой продукционной системе для выполнения предполагаемой функции, то есть количество продукции, необходимой для выполнения функции [26].

ОЖЦ проводится посредством определения продукционных систем как моделей, описывающих ключевые элементы физических систем. Граница системы определяет единичные процессы, подлежащие включению в систему. В идеале продукционная система должна быть смоделирована таким образом, чтобы входные и выходные потоки на ее границе являлись элементарными потоками. Однако не следует расходовать ресурсы на количественное определение таких входных и выходных потоков, которые существенно не влияют на общие выводы исследования. Выбор элементов физической системы, подлежащей моделированию, осуществляют в зависимости от определения цели и области исследования, его предполагаемого применения и аудитории, сделанных предположений, ограничения данных и стоимости, а также от ограничивающих критериев. Применяемые модели описывают, а предположения, объясняющие сделанные выборы, идентифицируют. Ограничивающие критерии, используемые в рамках исследования, должны однозначно пониматься и описываться. Критерии, используемые для установления границы системы, являются важными для обеспечения доверия к результатам исследования и возможности достижения поставленной цели. При установлении границы системы необходимо учитывать, например, несколько следующих этапов жизненного цикла, единичные процессы и потоки: − приобретение сырья; − входные и выходные потоки в основной производственной/ процессной последовательности; − распределение/транспортирование; − производство и использование топлива, электричества и тепла; − применение и обслуживание продукции; − утилизация промышленных отходов и продукции; − восстановление использованной продукции (включая повторное применение, рециклинг и регенерацию энергии); − производство вспомогательных материалов; − производство, обслуживание и вывод из эксплуатации основного оборудования; − такие дополнительные работы, как освещение и отопление [26].

Во многих случаях первоначально определенная граница системы потребует доработки в последующем. Требования к качеству данных устанавливают в общем выражении характеристики данных, необходимых для проведения исследования. Описания качества данных имеют необходимое значение для понимания надежности результатов исследования и их должного толкования [26].

2.1.2 Инвентаризационный анализ жизненного цикла (ИАЖЦ)

Инвентаризационный анализ включает процедуры сбора данных и расчета для количественного определения входных и выходных потоков продукционной системы. Процесс проведения инвентаризационного анализа является итеративным. По мере сбора данных и более детального ознакомления с системой могут идентифицироваться новые требования к данным или ограничения, которые потребуют включения изменений в процедуры сбора данных в целях выполнения поставленной цели исследования. Иногда могут идентифицироваться аспекты, которые требуют пересмотра цели и области исследования [26].

Данные по каждому единичному процессу в рамках границы системы могут классифицироваться под основными заголовками, включающими: – входные потоки энергии, входные потоки сырья, вспомогательные входные потоки, другие физические входные потоки; – продукцию, сопутствующую продукцию (сопродукцию) и отходы; – выбросы в воздух, сбросы в воду и почву; – другие аспекты окружающей среды. Сбор данных может быть процессом, требующим интенсификации ресурсов. Практические ограничения сбора данных следует учитывать в области исследования и документально оформлять в исследовательском отчете. После сбора данных проводятся процедуры расчета, включающие: − валидацию собранных данных; − увязку данных с единичными процессами и − увязку данных с эталонным потоком функциональной единицы – необходимы для получения результатов инвентаризации определенной системы по каждому единичному процессу и определенной функциональной единице продукционной системы, подлежащей моделированию. При расчете потоков энергии необходимо учитывать различные виды топлива и используемые источники электроэнергии, эффективность преобразования и распределения потока энергии, а также входные и выходные потоки, связанные с генерацией и использованием потока энергии. Немногие промышленные процессы обеспечивают производство одной продукции или основываются на линейности входных и выходных потоков сырья. Фактически большинство промышленных процессов производят более одного продукта и обеспечивают повторную переработку промежуточной или отбракованной продукции в сырье. При работе с системами, включающими различные виды продукции и системы рециклинга, необходимо отдельно рассмотреть потребность в процедурах распределения [26].

2.1.3 Оценка воздействия жизненного цикла (ОВЖЦ)

Целью стадии ОВЖЦ является оценка значимости потенциальных

воздействий на окружающую среду с использованием результатов ИАЖЦ. В общем случае в этот процесс включают установление связи инвентарных данных со специфическими категориями воздействия на окружающую среду и показателями категорий, чтобы таким образом понять характер этих воздействий. Стадия ОВЖЦ также представляет информацию о стадии интерпретации жизненного цикла. Оценка воздействий может включать в себя итеративный процесс пересмотра цели и области исследования ОЖЦ в целях определения достижения целей исследования или изменения цели и области исследования, если оценка указывает на невозможность их достижения. Такие вопросы, как выбор, моделирование и оценка категорий воздействия, могут повысить субъективность принимаемых решений на стадии ОВЖЦ. Поэтому прозрачность является необходимым условием при проведении оценки воздействия для гарантии того, что сделанные предположения описаны и документированы должным образом. Элементы стадии ОВЖЦ представлены на рисунке 12. В рамках ОВЖЦ рассматриваются только аспекты окружающей среды, определенные целью и областью исследования. Следовательно, ОВЖЦ не является полной оценкой всех аспектов окружающей среды исследуемой продукционной системы.

Рисунок 12 – Элементы стадии ОВЖЦ [26] ОВЖЦ не всегда может продемонстрировать существенные различия между категориями воздействия и связанными с ними результатами показателей альтернативных продукционных систем. Это объясняется: − ограниченным развитием моделей характеризации, анализа чувствительности и анализа неопределенности на стадии ОВЖЦ; − ограничениями стадии ИАЖЦ, например установлением границы системы, не охватывающей все возможные единичные процессы продукционной системы или не включающей в себя все входные и выходные потоки каждого единичного процесса вследствие накладываемых ограничений и информационных пробелов; − ограничениями стадии ИАЖЦ, например несоответствующим качеством данных ИАЖЦ, что может быть вызвано неопределенностями или различиями в процедурах выделения и агрегирования; − ограничениями сбора инвентарных данных, являющихся необходимыми и представительными для каждой категории воздействия [26].

Отсутствие пространственных и временных размерностей результатов ИАЖЦ вызывает неопределенность в результатах ОВЖЦ. Неопределенность изменяется наряду с пространственными и временными характеристиками каждой категории воздействия. Общепринятых методологий последовательной и точной увязки инвентарных данных со специфическими потенциальными воздействиями на окружающую среду не существует. Модели категорий воздействия находятся на различных этапах разработки [26].

Для фазы ОВЖЦ выходом обязательных элементов является совокупность значений показателей для различных категорий воздействий. Концепция показателей категории основана на экологическом механизме взаимодействия. Для каждой категории воздействия имеется свой экологический механизм взаимодействия. Закисление среды (кислотные дожди), как категория воздействия, приведено на рисунке 13 в качестве примера [27].

Рисунок 13 – Показатели категории [27]

Характеристические модели отражают экологический механизм взаимодействия описанием связи между результатами ИАЖЦ, показателями категории и в ряде случаев конечной(ыми) точкой(ами) категории. Характеристическая модель использована для получения характеристических коэффициентов. Необходимые компоненты для каждой категории воздействий включают: – идентификацию конечной(ых) точки(ек) категории; – определение показателя категории для заданной(ых) конечной(ых) точки(ек) категории; – идентификацию соответствующих результатов ИАЖЦ, которые могут быть отнесены к данной категории воздействия с учетом выбранного показателя категории и идентифицированной конечной точки категории; – идентификацию характеристической модели и характеристических коэффициентов [27].

Эта процедура облегчает сбор, распределение и характеристическое моделирование соответствующих результатов ИАЖЦ. Она также помогает в оценке научной и технической значимости, допущений, выбранных предпочтений и уровня точности характеристической модели. Для большинства исследований ОЖЦ могут быть выбраны существующие категории воздействий, показатели категорий и характеристические модели, при этом должны быть сделаны ссылки на соответствующие информационные источники. Требования и рекомендации настоящего пункта относятся к ссылочной информации. Однако в ряде случаев для достижения поставленной цели и для области исследования ОЖЦ существующих категорий воздействий, показателей категорий или характеристических моделей недостаточно, должны быть определены новые, соответствующие требованиям настоящего пункта. Показатель категории может быть выбран в рамках экологического механизма взаимодействия между результатами ИАЖЦ и конечной(ыми) точкой(ами) категории. Категории воздействий, показатели категорий и характеристические модели выбирают следующим образом: – выбор категорий воздействий, показателей категорий и характеристических моделей должен соответствовать цели и области исследования ОЖЦ; – при выборе категорий и характеристических моделей должны быть ссылки на информационные источники; – выбор категорий воздействий, показателей категорий и характеристических моделей должен быть оправдан; – категориям воздействий и показателям категорий должны быть даны точные и содержательные наименования; – выбор категорий воздействий должен отражать полную совокупность экологических проблем, относящихся к исследуемой продукционной системе, с учетом цели и области исследования; – должны быть описаны экологический механизм и характеристическая модель, связывающие результаты ИАЖЦ с показателем категории и создающие основу определения характеристических коэффициентов; – должна быть описана пригодность характеристической модели, используемой для определения показателей категории в контексте цели и области исследования. В дополнение при выборе категорий воздействий, показателей категорий и характеристических моделей учитывают следующие рекомендации: – категории воздействий, показатели категорий и характеристические модели должны быть международно признаны, т.е. основаны на международном соглашении или утверждены компетентным международным органом; – категории воздействий должны характеризовать агрегированные выбросы (сбросы) или используемые ресурсы продукционной системы на конечной точке категории через показатели категории [27]; – выбранные предпочтения и допущения, сделанные при выборе категорий воздействий, показателей категорий и характеристических моделей, должны быть минимальными; – категории воздействий, показатели категорий и характеристические модели должны избегать двойного счета, если этого не требуют цель и область исследования, например, когда исследование включает и здоровье человека, и канцерогенность; – характеристическая модель для каждого показателя категории должна быть научно и технически обоснована и основана на четко идентифицируемом экологическом механизме и/или воспроизводимом опытном наблюдении; – должны быть идентифицированы пределы научной и технической значимости характеристической модели и характеристических коэффициентов; – показатели категорий должны быть экологически уместны. В зависимости от экологического механизма, целей и области исследования следует рассмотреть временную и пространственную дифференциацию характеристической модели, связывающей результаты ИАЖЦ и показатель категории. Частью характеристической модели следует считать преобразования и перенос веществ. Должны быть идентифицированы результаты ИАЖЦ, отличные от потоков массы и энергии, включенных в исследование ОЖЦ, например землепользование, и определены их связи с соответствующими показателями категорий. Экологическое соответствие показателя категории или характеристической модели следует четко выражать согласно следующим критериям: – способности показателя категории отражать последствия результатов ИАЖЦ на конечной(ых) точке(ах) категории, по меньшей мере, в качественных понятиях; – добавлению экологических данных или информации к характеристической модели по отношению к конечной(ым) точке(ам) категории, включая: – состояние конечной(ых) точки(ек) категории; – относительное значение оцениваемого изменения конечной(ых) точки(ек) категории; – пространственные аспекты (площадь и масштаб); – временные аспекты, такие как продолжительность, длительность действия (пребывания), устойчивость, сроки и т.п.; – обратимость экологического механизма; – неопределенность связей между характеристической моделью и изменениями в конечных точках категории [27].

При присвоении результатам ИАЖЦ категорий воздействий необходимо четко обозначить экологические проблемы, связанные с ними, и рассмотреть следующие, если не указаны другие аспекты, связанные с целью и областью исследования: – присвоение результатам ИАЖЦ одной категории воздействий; – идентификация тех результатов ИАЖЦ, которые относятся к нескольким категориям воздействий, включая: – разделение между параллельными механизмами, например SO2 распределяется между такими категориями, как здоровье человека и закисление среды (кислотные дожди); – распределение между серийными механизмами, например NOх может быть приписан к образованию приземного слоя озона и закислению среды (кислотным дождям).

Если результаты ИАЖЦ недоступны или качество их данных недостаточно для ОВЖЦ, чтобы достичь цели и охватить область исследований, требуется итеративный сбор данных либо уточнение цели и области исследования [27].

Расчет показателя категории (определение характеристик) включает приведение результатов ИАЖЦ к общим единицам измерения и агрегирование полученных результатов в рамках категории воздействия. При таком преобразовании используют характеристические коэффициенты (коэффициенты пересчета).

Результат расчета представляет собой численное значение показателя категории. Метод расчета значений показателя должен быть идентифицирован и документирован, включая выбранные предпочтения и допущения. Польза значений показателя для поставленной цели и области исследования зависит от точности, обоснованности и характеристик характеристической модели, а также характеристических коэффициентов. Число и вид упрощающих допущений и выбранных предпочтений, используемых в рамках характеристической модели для показателя категории, меняются для различных категорий воздействий. Часто существует компромисс между простотой характеристической модели и ее точностью. Изменения качества показателей категории среди категорий воздействий могут повлиять на общую точность исследования ОЖЦ, например: – сложность экологических механизмов связи между границей системы и конечной точкой категории; – пространственные и временные характеристики, например устойчивость вещества в окружающей среде; – характеристика: доза – реакция. Расчет значений показателей включает две стадии: 1) выбор и использование характеристических коэффициентов для приведения результатов ИАЖЦ к общим единицам; 2) агрегирование приведенных результатов в значение показателя. Один из примеров показателя категории – интенсивность инфракрасного излучения. Характеристический коэффициент, в данном случае коэффициент потенциала глобального потепления для каждого тепличного газа, используют для расчета приведенных результатов ИАЖЦ для каждого газа в единицах эквивалента двуокиси углерода [27].

Дополнительные данные об экологических условиях повышают значимость и полезность значений показателей. Необязательные элементы ОВЖЦ – нормализация, группирование и взвешивание – могут использовать информацию вне структуры ОВЖЦ. Такую информацию следует обосновать и документировать. При нормализации используют исходные данные и/или ссылочную информацию. При группировании и взвешивании используют выбранные предпочтения. Цель нормализации – обеспечить лучшее понимание относительной значимости каждого значения показателя исследуемой продукционной системы. Расчет относительных значений показателей может быть полезным при: – проверке на совместимость; – предоставлении и распространении информации об относительной значимости значений показателей; – подготовке к дополнительным процедурам (группирование, взвешивание или интерпретация жизненного цикла).

Эта процедура преобразует абсолютное значение показателя в относительное делением на выбранное базовое значение. Примеры базовых значений: – общие выбросы (сбросы) или потребляемые ресурсы в данной области, которые могут иметь глобальный, региональный, национальный или локальный масштаб; – общие выбросы (сбросы) или потребляемые ресурсы в данной области, приходящиеся на одного жителя, или подобные данные измерений; – базовый сценарий, как например заданная альтернативная продукционная система. При выборе системы базовых значений необходимо рассмотреть совместимость пространственных и временных масштабов экологических механизмов и их базовых значений. Нормализация значений показателей изменяет выход обязательных элементов фазы ОВЖЦ. Можно использовать несколько вариантов систем базовых значений, чтобы показать их влияние на выход обязательных элементов фазы ОВЖЦ. Анализ чувствительности дает дополнительную информацию о выборе базы. Совокупность нормализованных значений показателей представляет собой нормализованный профиль ОВЖЦ [27].

Группирование – образование одной или нескольких групп показателей категорий в соответствии с поставленной целью и областью исследования, которое может также включать сортировку и/или ранжирование. Группирование – необязательный элемент с двумя возможными процедурами: – сортировкой категорий воздействия на номинальной основе, например, по характеристикам, таким как выбросы и потребляемые ресурсы или глобальный, региональный и локальный пространственные масштабы; – ранжированием категорий воздействий по заданной иерархии, например высокий, средний или низкий приоритет. Ранжирование базируется на выбранных предпочтениях. Применение и использование методов группирования должно соответствовать цели и области исследования ОЖЦ и должно быть полностью прозрачным. Различные физические лица, организации, общественные ассоциации могут иметь различные предпочтения, поэтому стороны могут получить различные результаты ранжирования, основываясь на одних и тех же значениях показателей или их нормализованных значениях [27].

Взвешивание – процесс преобразования значений показателей различных категорий воздействий с использованием численных (весовых) коэффициентов, основанных на выбранных предпочтениях. Оно может включать агрегирование взвешенных значений показателей. Взвешивание — необязательный элемент с двумя возможными процедурами: – преобразованием значений показателей или их нормализованных значений с использованием выбранных весовых коэффициентов; – возможным агрегированием этих преобразованных значений показателей или их нормализованных значений в рамках категории воздействия. Шаги взвешивания основаны на выбранных предпочтениях, а не на данных естественных наук. Применение и использование методов взвешивания должно соответствовать цели и области исследования ОЖЦ и должно быть полностью прозрачным. Физические лица, организации и общественные ассоциации могут иметь различные предпочтения, поэтому возможно, что они могут получить различные результаты взвешивания, основываясь на одних и тех же значениях показателей или их нормализованных значениях. В исследовании ОЖЦ желательно использовать различные весовые коэффициенты и методы взвешивания и для проведения анализа чувствительности оценивать последствия влияния различных выбранных предпочтений и методов взвешивания на результаты ОЖЦ. Все методы взвешивания и используемые операции должны быть документированы и прозрачны. Данные и значения показателей или нормализованные значения показателей, предшествующие взвешиванию, должны быть доступными наравне с результатами взвешивания. Поэтому выходная и другая информация остается доступной для лиц, принимающих решения, и других лиц, а пользователи могут оценивать всю область применения результатов. Анализ качества данных нужен из-за того, что дополнительные методы и информация могут понадобиться для лучшего понимания важности, неопределенности и чувствительности результатов ОВЖЦ. Дополнительные методы дают возможность: – помочь в определении наличия или отсутствия важных различий; – восстановить не принимавшиеся в расчет результаты ИАЖЦ; – дать рекомендации по итерациям процесса ОВЖЦ [24].

На потребность и выбор метода влияют точность и детальность, необходимые для достижения цели и области исследования ОЖЦ. К специальным методам относят: – анализ важности (например, анализ Парето) – статистическая процедура, которая идентифицирует данные, оказывающие наибольшее влияние на значение показателя. Эти элементы могут быть затем исследованы с повышенным приоритетом, чтобы убедиться, что приняты значимые решения; – анализ неопределенности по ГОСТ Р ИСО 14041 описывает статистические вариации наборов данных, чтобы определить их влияние, если значения показателей для одной и той же категории воздействий значительно отличаются друг от друга; – анализ чувствительности по ГОСТ Р ИСО 14041 определяет масштабы изменений значений показателей в результате изменений, например, результатов ИАЖЦ, характеристических моделей. Подобным образом могут быть оценены масштабы изменения профиля ОВЖЦ вследствие модификации расчетных процедур. Обусловленные итерационным характером процедур ОЖЦ результаты анализа качества данных могут в дальнейшем быть руководством для фазы ИАЖЦ, например могут быть исключены уточняемые критерии выбираемых предпочтений или собираемые данные. ОВЖЦ адресована только к экологическим проблемам, которые заявлены в цели и содержании исследования, поэтому она не является полной оценкой всех экологических проблем исследуемой продукционной системы. ОВЖЦ имеет следующие ограничения: – ОВЖЦ, насколько это возможно, научно-техническая процедура, однако в ней используют определенные предпочтения при выборе категорий воздействий, показателей категорий и характеристических моделей, а также при нормализации, группировании, взвешивании и в других процедурах; – ОВЖЦ обычно исключает учет информации о месте, времени, критериях, о параметре «доза-реакция» и объединяет выбросы (сбросы) или работы, распределенные в пространстве и/или времени, что может уменьшить экологическую значимость значений показателей; – показатели категорий в рамках одной категории воздействия могут различаться по точности в зависимости от: – характеристической модели и соответствующего экологического механизма, например по пространственным и временным масштабам, – используемых упрощающих допущений, – рамок доступных научных знаний; – результаты ОВЖЦ не предсказывают воздействия по конечным точкам категорий, превышению критериев, запасам по безопасности или рискам; – ОВЖЦ не может всегда демонстрировать значительность различия между категориями воздействий и соответствующими значениями показателей для альтернативных продукционных систем по следующим причинам: – ограниченность разработанных характеристических моделей, используемых при определении характеристик, анализе чувствительности и неопределенности на фазе ОВЖЦ; – ограничения фазы ИАЖЦ, например (установление границ системы), которые не охватывают все возможные единичные процессы в продукционной системе или не включают все входы и выходы каждого единичного процесса, поскольку соответствующие данные могут отсутствовать, а также недостаточное качество данных ИАЖЦ, что может быть вызвано неопределенностью или различием процедур распределения и агрегирования; – ограничения в сборе инвентаризационных данных, соответствующих и представляющих каждую категорию воздействия.

2.1.4 Интерпретация жизненного цикла

Интерпретация является стадией ОЖЦ, на которой либо совместно рассматривают результаты инвентаризационного анализа и оценки воздействия, либо, как в случае исследований ИАЖЦ, рассматривают только результаты инвентаризационного анализа. На этапе интерпретации должны быть получены результаты, отвечающие цели и области исследования, сделаны выводы, объяснены ограничения и представлены рекомендации. Интерпретация должна отражать тот факт, что результаты ОВЖЦ основаны на относительном подходе, указывают потенциальные воздействия на окружающую среду и не предсказывают реальных воздействий на конечные точки категории воздействия, превышение порогов, пределов безопасности или рисков. Результаты такой интерпретации могут представляться в форме выводов и рекомендаций для лиц, ответственных за принятие решений, и отвечать цели и области исследования. Целью интерпретации жизненного цикла также является легко понимаемое, полное и согласованное представление результатов ОЖЦ в соответствии с целью и областью исследования. Этап интерпретации может включать в себя итеративный процесс пересмотра и обновления области исследования ОЖЦ, а также характера и качества данных, собранных в соответствии с установленной целью. Результаты интерпретации жизненного цикла должны отражать результаты оценивания [26].

2.1.5 Представление отчетности

Стратегия отчетности является неотъемлемой частью ОЖЦ. Хорошо подготовленный отчет должен включать в себя различные этапы рассматриваемого исследования. Отчет должен включать в себя результаты и выводы ОЖЦ, быть представлен в соответствующей форме для предполагаемой аудитории, рассматривать данные, методы и предположения, использованные в процессе исследования, и установленные ограничения. Если исследование распространяется на стадию ОВЖЦ и отчет представляется третьей стороне, необходимо отразить в отчете следующее: – связь с результатами ИАЖЦ; – описание качества данных; – конечные точки категории воздействия, подлежащие защите; – выбор категорий воздействия; – модели характеризации; – факторы и механизмы защиты окружающей среды; – профиль результатов показателей. Относительная природа результатов ОВЖЦ и их неадекватность для прогнозирования воздействий на конечных точках категории должны также найти отражение в отчете. На стадии исследования ОВЖЦ необходимо включить нужные ссылки и описание выбора определенных величин, относящихся к моделям характеризации, нормализации, взвешенности и т.д. Необходимо включить также в отчет другие требования, установленные в ИСО 14044, если результаты исследования предполагают применять в сравнительных утверждениях, предназначенных для информирования общественности. Кроме того, при представлении отчета по этапу интерпретации в соответствии с требованиями ИСО 14044 необходимо обеспечить полную прозрачность выбора величин, обоснований и экспертных выводов [26].

2.2 Метод Eco-Indicator 99

Часто используемым для оценки воздействий методом является Eco-Indicator 99. Он предусматривает список из 11 показателей воздействий (рисунок 14), которые отнесены к трем категориям воздействия, т.е. оценка осуществляется по трем видам причиняемого экологического ущерба: 1) здоровье человека (единица измерения – число заболеваний, вызванных экологическими изменениями); 2) качество экосистемы (единица измерения – количество видов растений, находящихся под угрозой исчезновения); 3) ресурсы (единица измерения – дополнительные затраты энергии, необходимые в будущем для компенсации низкого качества ресурсов).

Категория «Здоровье человека» содержит идею о том, что все люди, в настоящем и будущем, должны быть свободны от экологически передаваемых болезней, инвалидности или преждевременной смерти [28].

Здоровье любого человеческого индивида, будучи членом настоящего или будущего поколения, может быть подвергнуто негативным воздействиям, снижая его продолжительность жизни или вызывая его преждевременную смерть, вызывая временное или постоянное снижение функций организма (инвалидность).

По современным представлениям, экологические источники таких воздействий следующие: – инфекционные заболевания, сердечнососудистые и респираторные заболевания, а также вынужденное перемещение из-за изменения климата; – рак в результате ионизирующего излучения; – рак и снижение остроты зрения в результате истощения озонового слоя; – респираторные заболевания и рак из-за токсичных химических веществ в воздухе, питьевой воде и пище [28].

Эти повреждения являются наиболее важными в категории ущерба здоровью человека, вызванные выбросами от систем продукции. Данная категория не является полным. Например, повреждения здоровья от аллергических реакций, шума и запаха пока не могут быть смоделированы.

Избыточные Минералы

Ущерб минеральным затраты энергии Добыча

и ископаемым минералов и

ресурсам Ископаемые ископаемых

Избыточные

ресурсы ресурсов

затраты энергии

Изменение Землепользование

в размере : занимаемые

Региональный эффект ареала

на васкулярную площади и их

систему растений трансформации Индикатор

Местный эффект на

Ущерб качеству васкулярную систему

экосистемы растений Изменение в

наличии

питательных NOx

Повышение

кислотности и веществ в

почве

эвтрофикация

SO2

Изменение

Экотоксичность в качестве

почвы

NH3

Изменение климата

Концентрация

(болезни и изменение

состояния здоровья) парниковых

газов Пестициды

Уменьшение

озонового слоя (рак и Концентрация

катаракта) озона Тяжелые

металлы

Ущерб здоровью Концентрация

Ионизирующее радионуклидов

излучение (рак)

CO2

Затруднение Концентрация

дыхания веществ,

загрязняющих

воду, воздух, Нуклиды

Онкогене

почву

з

Анализ Нормализация Анализ Анализ влияния использования земли и взвешивание причиненног фактора и ресурсов

о ущерба

Рисунок 14 – Модель применения методологии Eco-Indicator 99 [28] Категория «Качество экосистем» содержит идею, что окружающая среда и видовое разнообразие не должны страдать от разрушительных изменений их популяций и географического распределения. Экосистемы, сами по себе, являются очень сложными. Очень трудно смоделировать весь ущерб, нанесенный им. Важным отличием от здоровья человека является то, что невозможно оценить ущерб индивидуально для отдельного организма, растения или животного. Видовое разнообразие используется в качестве индикатора качества экосистем. Ущерб экосистем выражается в процентах от видов, которые находятся под угрозой или которые исчезают из данной области в течение определенного промежутка времени. Основными характеристиками данной категории являются: – экотоксичность; – закисление и эвтрофикация; – землепользование. Категория «Ресурсы» содержит идею о том, что поставки в природе неживых товаров, которые необходимы для человеческого общества, должны быть доступны и для будущих поколений. В методе смоделированы использование минеральных ресурсов и ископаемых видов топлива. Использование сельскохозяйственных и лесохозяйственных биотических ресурсов, а также добыча ресурсов, таких как песок или гравий, считаются, надлежащим образом, охваченными категорией «землепользование». В случае невозобновляемых ресурсов (минералы и ископаемые виды топлива) очевидно, что существует ограничение на человека по использованию этих ресурсов [28].

Метод Eco-Indicator 99, действующий в соответствии с международным стандартом ISO 14001, несмотря на формальную самостоятельность, продолжает идеи интегральной оценки экологического ущерба. С помощью этого метода оцениваются такие факторы, как изменение климата (или влияние на глобальное потепление), потребление ресурсов, выбросы канцерогенных веществ, уровень заболеваемости населения, повышение кислотности водоемов и почвы, эвтрофикация, экотоксичность применяемых в производстве веществ, использование земель. Основной задачей является систематическая инвентаризация всех эмиссий загрязняющих веществ и потребляемых ресурсов в течение жизненного цикла продукции. Результат инвентаризации является основой для оценки воздействий на окружающую среду, которые классифицируются по оказываемому влиянию (фактору) и для оценки степени влияния снабжаются весовыми коэффициентами. В результате получается интегральная величина воздействия на окружающую среду, выражаемая величиной экоиндикатора.

2.3 Программное обеспечение SimaPro

Для выполнения данного исследования необходимо было обработать и оценить большое количество данных, выполнить расчеты. Кроме того, определенную степень сложности представляют процедуры нормализации и взвешивания. По этим причинам возникала необходимость использования специализированного программного обеспечения. В данной работе для проведения анализа ОЖЦ был использован пакет программного обеспечения голландского производства SimaPro версии 8.0.2, фирма-производитель PRe Consultants. Кроме того, для проведения инвентаризации и сбора информации о продуктах использовалась база данных Ecoinvent v2.0. SimaPro – это программный продукт, обладающий всеми функциями для проведения ОЖЦ. Цель ее создания – моделирование и оценка последствий на ОС всего процесса производства. В рамках программы могут быть проанализированы любые сложные системы управления отходами и т.д. Базы данных процессов, также как и базы данных оценки воздействия могут быть редактированы и расширены без ограничений. SimaPro может проследить происхождение (причину возникновения) любых полученных результатов. Специальные свойства программы: многочисленные методы оценки воздействия, многочисленные базы данных процессов, автоматический перевод единиц и др. SimaPro использует ряд хорошо известных методов оценки воздействия, например CML 1992 и 1996, Eco-points и Eco-indicator 95, 99 . Данные оценки воздействия могут быть редактированы и расширены [29].

На рисунке 15 видно, как производился ввод исходных данных инвентаризации первой технологии производства. В графе Name указывали название технологии производства (Производство из руды), в поле Amount и Unit

Производство из

Функциональная

первичного алюминия

единица

(технология 1)

Категория исследования

«алюминиевая банка »

Численное

значение

Ввод данных

инвентар изационных

данных

Рисунок 15 – Ввод исходных данных для первой технологии производства в

программе SimaPro – функциональная единица (1000 кг).

В Category записывали категорию исследования. В нашем случае это алюминиевая банка. Ниже в тех же пунктах Name, Amount, Unit указывались данные инвентаризации (таблица 5), их численное значение и единица измерения соответственно. Таблица 5 – Данные инвентаризации для технологии 1

Единицы

Название Данные

измерения Боксит (алюминиевая руда) Bauxite кг 5775,8 Каустическая сода (NaOH) Caustic soda кг 172 Негашеная известь (СаО) Lime quicklime кг 75,5 Кокс Coke кг 345,2 Огнеупорный материал Refractory кг 5,8 Фтористый алюминий Alumium ftuorid кг 12 Взрывной абразивный материал Blisting abrasive кг 0,1 Катод Cathode кг 7,6 Вода Water Водит Выходит Производственные воды See 618 536 Сточные воды Surface кг 26850 24535 Вода на охлаждение Cooling water 200 Энергия Electricity Смешанная энергия Electric mix 11910 ГЭС HPP кВт 877 Нефть Oil 2206 Газ Gas 2484 Дизельное топливо Diesel кг 6045

После ввода данных необходимо было выбрать функцию расчета и метод (рисунок 16).

В качестве расчета происходило проведение анализа (Analyse).

Также выбирали метод проведения – Эко-Индикатор 99.

Функция расчета

«Анализ»

Выбор метода анализа

Рисунок 16 – Выбор функции расчета и используемого метода Результат инвентаризационного анализа для первой технологии реконструкции станции водоподготовки данная программа выводит в виде так называемого «дерева инвентаризации» (рисунок 17).

Рисунок 17 – Дерево инвентаризации для первой технологии

По сути, «дерево инвентаризации» представляет собой диаграмму входящих и исходящих потоков. В качестве входящих потоков в данном исследовании для первой технологии производства представлены химические вещества, вода и электроэнергия (см. табл. 5, рис. 17).

В качестве исходящих потоков – 1000 кг алюминия. Также на диаграмме можно видеть, какая категория данных будет оказывать наибольшее влияние. На рисунке 18 представлен ввод исходных данных инвентаризации второй технологии производства.

Производство из

первичного алюминия

(технология 1) Функциональная

единица

Категория исследования

«алюминиевая банка »

Численное

Ввод значение

инвентаризационных данных

данных

Рисунок 18 – Ввод исходных данных для второй технологии

Для второй технологии, аналогично вводу данных для первой, вводили данные (таблица 6) от исходных компонентов до изготовления алюминиевого листа, т.к. потом смысла сравнивать нет (процессы те же).

Таблица 6 – Данные инвентаризации для технологии 2

Единицы

Название Данные

измерения Алюминиевый лом Bauxite кг 1013 Каустическая сода (NaOH) Caustic soda кг 0,656 Энергия Electricity кВт 87

Так же, как и в предыдущем случае, программа выводила «дерево инвентаризации» (рисунок 19).

На диаграмме указаны входные и выходные потоки, а также видно, какой компонент, и в каком полном объеме, используется в технологии для производства 1 кг алюминиевых банок.

Рисунок 19 – Дерево инвентаризации для второй технологии Для проведения сравнения двух предлагаемых технологий (вариант 1 и 2) необходимо было выбрать в программе соответствующую функцию (рисунок 20).

Выбор функции

«сравнение» Метод анализа

Функциональная

Указание

единица

технологий для

сравнения

Рисунок 21 – Проведение анализа технологий в программе

Рисунок 20 – Проведение анализа технологий в программе

3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1 Цель и рамки исследования

3.1.1 Цель

Данное исследование проводилось с целью сравнения двух технологий производства алюминиевой банки с позиции оценки воздействий на окружающую среду и рационального использования природных ресурсов. Методология ОЖЦ, представленная в этой работе, может быть использована в качестве инструмента принятия решения при выборе технологии производства и уменьшения ее влияния на окружающую среду. Исследование ОЖЦ проводилось согласно стандартам серии ISO 14040.

3.1.2 Область исследования

Данное исследование относится к типу «cradle-to-gate», т.е. сосредоточенное на одной стадии жизненного цикла – производстве. В данном случае мы исследуем производство алюминиевой банки от добычи сырья до выхода готового продукта.

3.1.3 Границы системы

Основные процессы технологии производства на рисунке 21.

Рисунок 21 – Диаграмма процессов производства. В блоках представлены

границы системы

3.1.4 Функциональная единица

В качестве функциональной единицы выбран 1000 кг алюминия [29].

3.1.5 Критерии оценки

Согласно методу Eco-Indicator 99, в данной работе выделялось три критерия оценки: – качество экосистемы; – здоровье человека; – ресурсы. Категории воздействия, соответствующие критериям оценки данного исследования, представлены в таблице 7. Таблица 7 – Категории воздействия данного исследования

Категория

Подкатегория Первичный источник (процесс) воздействия

Электроэнергия, производство,

Истощение ископаемых минералов переработка, добыча сырья Ресурсы

Электроэнергия, производство,

Истощение ископаемых видов топлива

переработка, добыча сырья

Электроэнергия, производство,

Экотоксичность

переработка, добыча сырья Качество Электроэнергия, производство,

Закисление/эвтрофирование экосистемы переработка, добыча сырья

Электроэнергия, производство,

Землепользование

переработка, добыча сырья

Электроэнергия, производство,

Влияние на озоновый слой

переработка, добыча сырья

Радиоактивность (ионизирующее Электроэнергия, производство

излучение)

Электроэнергия, производство,

Изменение климата

переработка, добыча сырья Здоровье человека Электроэнергия, производство,

Парниковые газы

переработка, добыча сырья

Электроэнергия, производство,

Респираторные органические вещества переработка, добыча сырья

Электроэнергия, производство,

Респираторные неорганические вещества переработка, добыча сырья

3.2 Инвентаризация

В этом подразделе были проанализированы различные продукты системы, а также их жизненный цикл (производство).

Более подробные расчеты можно найти в приложении А. Данные для проведения оценки жизненного цикла (таблица 8) были взяты из Life Cycle Impact Assessment of Aluminum Beverage Cans. Таблица 8 – Данные инвентаризации

Название Ед. измерения Технология 1 Технология 2

Боксит (алюминиевая руда) кг 5775,8 – Алюминиевый лом кг – 1013

Каустическая сода (NaOH) кг 172 0,656

Энергия Смешанная энергия 11910 87

ГЭС кВт 877 –

Нефть 2206 –

Газ 2484 Дизельное топливо кг 6045 –

Негашеная известь (СаО) кг 75,5 –

Кокс кг 345,2 –

Огнеупорный материал кг 5,8 –

Фтористый алюминий кг 12 –

Взрывной абразивный кг 0,1 –

материал

Катод кг 7,6 –

Вода кг Вход Выход –

Производственные воды кг 618 536 –

Сточные воды кг 26850 24535 –

Вода на охлаждение кг 200 – –

3.3 Результаты оценки воздействия

Результаты анализа ОЖЦ представлены по трем категориям воздействия, как указывалось выше: здоровье человека (Human health), качество экосистем (Ecosystem quality) и ресурсы (Resources).

Каждой категории ущерба также соответствуют определенные категории воздействия согласно Eco-Indicator 99 [28]: – парниковые газы (Greenhouse gases); – респираторные органические вещества (Respiratory organic); – респираторные неорганические вещества (Respiratory inorganic); – изменение климата (Climate change); – радиоактивность (Radiation); – влияние на озоновый слой (Ozone layer); – экотоксичность (Ecotoxicity); – закисление/эвтрофирование (Acidification/Eutrophication); – землепользование (Land Use); – истощение ископаемых минералов (Minerals); – истощение ископаемых видов топлива (Fossil fuels).

3.3.1 Результаты оценки воздействия при реализации первой технологии

производства

Из рисунка 22 видно, что образование угольного шлама при добыче алюминия из бокситов для производства 1 кг алюминиевых банок оказывает наибольшее влияние на несколько категорий, в частности, на озоновый слой, землепользование, а также характеризуется значительным содержанием респираторных органических веществ. Кроме того, потребление химического соединения – гидроксила натрия – значительно сказывается на истощении полезных ископаемых.

Рисунок 22 – Характеристика результатов по категориям воздействия технологии 1 На рисунке 22 представлена характеристика результатов по воздействию на подкатегории при реализации первой технологии производства из первичного алюминия. На рисунках 23, 24, 25 представлены результаты воздействия первой технологии производства по категориям ущерба. По рисунку 24 видно, что наибольший ущерб в процессе применения первой технологии наносится ресурсам. Основной вклад во влияние вносит образование угольного шлама.

Рисунок 23 – Нормализованный график воздействия первой технологии

производства по категориям ущерба

Рисунок 24 – Преобразованный график воздействия первой технологии производства

по категориям ущерба На рисунке 25 можно увидеть результаты воздействий по категориям ущерба в долях по отношению друг к другу.

Рисунок 25 – Результаты воздействия по категориям ущерба в

долевых соотношениях

3.3.2 Результаты оценки воздействия при реализации второго варианта

реконструкции На рисунке 26 представлена характеристика результатов по воздействию на категории при реализации второй технологии производства алюминиевой банки из вторичного алюминия. При применении второй технологии производства наибольший вред наносит переработка алюминиевого лома.

Рисунок 26 — Характеристика результатов по категориям воздействия второй

технологии производства На рисунках 27, 28 представлены результаты воздействия второго варианта реконструкции по категориям влияния.

Рисунок 27 – Нормализованные результаты воздействия второй технологии

производства

Из рисунка 27 видно, что наибольший вклад во влияние вносит также переработка алюминиевого лома. Наносимый ущерб одинаков для всех критериев оценки. На рисунке 28 можно увидеть результаты воздействий по категориям ущерба в долях по отношению друг к другу.

Рисунок 28 — Преобразованный график воздействия второй технологии производства

по категориям ущерба

Рисунок 29 – Результаты воздействия по категориям ущерба в

долевых соотношениях

3.3.3 Сравнение технологий производства технологий категориям воздействия Для полноты ясности оценки и для более масштабного представления о результатах нами было проведено сравнение двух технологий производства по категориям воздействия. На рисунке 30 представлено сравнение технологий производства 1 и 2 по категориям воздействия.

Рисунок 30 – Сравнение вариантов 1 и 2 по категориям воздействия Как говорилось выше, технология производства алюминиевой банки из руды сопровождается образование большого количества угольного шлама. Из рисунка 30 видно, что производство из лома оказывает меньшее воздействие на окружающую среду. На рисунке 31 показано сравнение вариантов 1 и 2 по категориям ущерба.

Рисунок 31 – Сравнение технологий 1 и 2 по категориям ущерба

Результаты воздействия по категориям ущерба в долевых соотношениях представлены на рисунке 32.

Рисунок 32 – Результаты воздействия по категориям ущерба

в долевых соотношениях

Следуя вышеуказанному, можно отметить, что производство алюминиевой банки из переработанного алюминия оказывает наименьшее влияние на окружающую среду, нежели из первичного. Это обусловлено тем, что сплавы алюминия прекрасно подвергаются переработке и используются для изготовления продуктов такого же качества, как и исходный продукт. Переработка металлических изделий позволяет сохранить невосполнимые природные ресурсы. По всему миру очень большой спрос на металлический лом. Переработка жестяных и алюминиевых банок сохраняет до 95% энергии, необходимой для изготовления новой банки из руды. Состояние лома не имеет значения. Металл может быть раздавленным, обгоревшим или ржавым. На переработку принимается практически любые металлы. Исключение составляют радиоактивные металлы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе произведена сравнительная оценка жизненного цикла производства алюминиевой банки из первичного и вторичного сырья. Данная методика ОЖЦ с применением программного продукта SimaPro 8.0.2 позволила произвести сравнение двух технологий производства алюминиевой банки по критериям воздействия и ущерба, наносимых на окружающей среде, а так же наглядно представить результаты. Производство алюминиевой банки из вторичного сырья оказывает меньше влияния по категориям воздействия и ущерба, чем производство из первичного.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Притужалова, О.А. Оценка экологического воздействия жизненного цикла продукции / О.А. Притужалова // Вестник ТюмГУ. Охрана окружающей среды. Экология человека. – 2007. – № 3. – С. 152–158. 2. ГОСТ Р 52867-2007. Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла. Примеры применения ГОСТ Р ИСО 14041 для определения цели, области исследования и проведения инвентаризационного анализа. – М.: Стандартинформ, 2010. – 37 с. 3. Тематическое сообщество «Энергоэффективность и Энергосбережение». Обзор 2. Сферы применения и международный опыт. – (дата обращения: 03.03.2016 г.); 4. ISO standards for life cycle assessment to promote sustainable development. – http://www.iso.org (дата обращения: 10.03.2016 г.); 5. Библиотека ГОСТов и нормативных документов – http://www.libgost.ru/ (дата обращения: 15.03.2016 г.); 6. Притужалова, О.А. Экологическая оценка жизненного цикла продукции. Сравнительный экобаланс упаковки из комбинированных материалов в Федеративной Республике Германия и Российской Федерации.: дис…. канд. геогр. наук / О.А. Притужалова. – Тюмень, 2007. – 281 с. 7. Сергиенко, О.И. Определение экологических характеристик продовольствия на основе оценки жизненного цикла продукции / О.И. Сергиенко, С.Е. Копыльцова // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Экономика и экологический менеджмент». – 2012. – № 2(11).

– С. 20–35. 8. Анализ жизненного цикла: учеб. пособие / Е.Е. Никольская, В.Ю. Петров, Н.Н. Слюсарь, В.Н. Коротаев. – Пермь: Изд-во ПГТУ, 2006. – 106 с. 9. ГОСТ Р ИСО 14044-2007. Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла. Требования и рекомменлдации. – М.: Стандартинформ, 2007. – 39 с. 10. Оценка жизненного цикла в управлении отходами. – http://www.rae.ru/monographs/267-8043 (Дата обращения 15.05.2015).

11. Clayton-Niederman, Z. Evaluation of Toxicity in Cotton Production and Toxicity Impact Assessment Methods / Z. Clayton-Niederman, M. Matlock, L. Lanier. – Arkansas, 2010. – 32 р. 12. Металлургия алюминия. Технология, электроснабжение, автоматизация: учебное пособие / Г.В. Галевский, Н.М. Кулагин, М.Я. Минцис, Г.А. Сиразутдинов. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Флинта: Наука, 2008. – 529 с. 13. Сухарев, И.В. География мировой алюминиевой промышленности: дис…. канд. геогр. наук / И.В. Сухарев. – М., 2007. – 231 с. 14. Панов, Е.Н. Современные подходы к расчету энергетического баланса электролизера / Е.Н. Панов, А.Я. Карвацкий, Г.Н. Васильченко // 12-я Междунар. науч.-практ. конференция «Алюминий Сибири – 2006». – Красноярск, 2006. – С. 97- 101. 15. Сизяков, В.М. Технологические и методологические основы получения алюминия на мощных электролизерах / В.М. Сизяков, В.Ю. Бажи. – СПб, 2011. – 133 с. 16. Металлургия и вторичная металлургия алюминия. – http://www.metalspace.ru/education-career/osnovy-metallurgii/metallurgiyaalyuminiya/681-poluchenie-alyuminiya.html (дата обращения: 16.05.2016 г.).

17. Крюковский, В.А. Перспективы производства алюминия – переход на обожженные аноды / В.А. Крюковский // Цветные металлы. – 2008. – № 4. – С. 29–33. 18. Дампилон, Ж.В. Влияние производства алюминия в России на окружающую среду / Ж.В. Дампилон // Вестник Чувашского университета. – 2008. – № 3. – С. 14–21. 19. Современное состояние и проблемы развития алюминиевой промышленности России / В.М. Сизяков / Записки Горного института. СПб. – 2005. – Т.165. – С.163- 170. 20. Масштабный бизнес: производство алюминиевой банки. – http://www.openbusiness.ru/html/dop11/aluminievaya-banka.htm (дата обращения: 06.04.2016).

21. Wootton, Е. TALAT Lecture 3710: Case Study on Can Making / Е. Wootton, A. Deutschland, Göttingen. EAA: European Aluminium Association, 2006. – 31 p. 22. ГОСТ Р 51756-2001. Государственный стандарт Российской Федерации. Банки алюминиевые глубокой вытяжки с легковскрываемыми крышками. Технические условия. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001. – 30 с. 23. ГОСТ 1639-2009. Лом и отходы цветных металлов и сплавов. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ, 2011. – 66 с. 24. Понимание алюминия. – aluminium-guide.ru (дата обращения: 06.04.2016).

25. Экономические и экологические плюсы переработки алюминиевых банок. – (дата обращения: 26.05.2016).

26. ГОСТ Р ИСО 14040. Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла. Принципы и структуры. – М.: Стандартинформ, 2010. – 20 с. 27. ГОСТ Р ИСО 14042-2001. Управление окружающей средой. Оценка жизненного цикла. Оценка воздействия жизненного цикла. – М.: Стандартинформ, 2001. – 16 с. 28. Goedkoop, M. The Eco–indicator 99. A damage oriented method for Life Cycle Impact Assessment / M. Goedkoop. – PRe Consultants, 2000. – 132 p. 29. Washingtion, D.C. Life Cycle Impact Assessment of Aluminum Beverage cans / D.C. Washingtion. – Inc. Alumium Association, 2010. – 127 p.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рисунок А.1 – Принципиальная схема жизненного цикла

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Таблица Б.1 – Расчетные данные для анализа взвешивания производства по технологии 1

Электроэнергия

Электронно-лучевая трубка

Алюминиевая банка (руда)

(безводный, 50% раствор)

Огнеупорный материал Категория воздействия

Взрывной абразивный

Фтористый алюминий

Единицы измерения

Дизельное топливо

Гидроксид натрия

Угольный шлам

Общее значение

Природный газ

материал

Известь

Смешанная

ГЭС, АС

Нефть Общее Pt 1,527476 0,068734 0,015698 0,000188 -0,00014 0,002087 0,000153 0,010122 1,098179 0,090925 7,79E-05 0,141012 0,102841 значение 0,00241

Здоровье Pt 0,202695 0 0,010143 0,000117 -8,9E-05 0,001077 0,000118 0,006779 0,102057 0,014355 3,19E-05 0,051446 0,018916 человека 0,00226

Качество Pt 0,037159 0 0,001057 9,52E-06 -8,7E-06 0,000108 2,44E-05 0,001361 0,022471 0,00119 1,43E-05 0,008857 0,002225 экосистемы 0,00015

Ресурсы Pt 1,287622 0,068734 0 0,004498 6,17E-05 -4E-05 0,000902 1,09E-05 0,001982 0,973652 0,07538 3,17E-05 0,080709 0,081701 Таблица Б.2 – Расчетные данные по категориям влияния для анализа производства по технологии 1

Электроэнергия

Электронно-лучевая трубка

Алюминиевая банка (руда)

(безводный, 50% раствор)

Огнеупорный материал Категория воздействия

Взрывной абразивный

Фтористый алюминий

Единицы измерения

Дизельное топливо

Гидроксид натрия

Угольный шлам

Общее значение

Природный газ

материал

Известь

Смешанная

ГЭС, АС

Нефть Здоровье

DALY 7,78E-06 0 -8,7E-08 3,9E-07 4,49E-09 -3,4E-09 4,14E-08 4,54E-09 2,6E-07 3,92E-06 5,51E-07 1,23E-09 1,98E-06 7,26E-07 человека

Качество

PDF*m2yr 0,476399 0 -0,00191 0,013553 0,000122 -0,00011 0,001387 0,000313 0,017454 0,288088 0,015253 0,000184 0,113552 0,028519 экосистемы

Ресурсы MJ surplus 54,10175 2,888 0 0,188983 0,002594 -0,00169 0,037879 0,000459 0,083276 40,90973 3,167245 0,001332 3,391122 3,432818 Таблица Б.3 – Расчетные данные по категориям воздействия для анализа производства по технологии 1

Электроэнергия

Электронно-лучевая трубка

Алюминиевая банка (руда)

(безводный, 50% раствор)

Огнеупорный материал Категория воздействия

Взрывной абразивный

Фтористый алюминий

Единицы измерения

Дизельное топливо

Гидроксид натрия

Угольный шлам

Общее значение

Природный газ

материал

Известь

Смешанная

ГЭС, АС

Нефть Общее

Pt 1,527476 0,068734 -0,00241 0,015698 0,000188 -0,00014 0,002087 0,000153 0,010122 1,098179 0,090925 7,79E-05 0,141012 0,102841 значение

Здоровье

Pt 0,202695 0 -0,00226 0,010143 0,000117 -8,9E-05 0,001077 0,000118 0,006779 0,102057 0,014355 3,19E-05 0,051446 0,018916 человека

Качество

Pt 0,037159 0 -0,00015 0,001057 9,52E-06 -8,7E-06 0,000108 2,44E-05 0,001361 0,022471 0,00119 1,43E-05 0,008857 0,002225 экосистемы

Ресурсы Pt 1,287622 0,068734 0 0,004498 6,17E-05 -4E-05 0,000902 1,09E-05 0,001982 0,973652 0,07538 3,17E-05 0,080709 0,081701 Таблица Б.4 – Расчетные данные для анализа нормализации производства алюминиевой по технологии 1

Электроэнергия

Электронно-лучевая трубка

Алюминиевая банка (руда)

(безводный, 50% раствор)

Огнеупорный материал Категория воздействия

Взрывной абразивный

Фтористый алюминий

Единицы измерения

Дизельное топливо

Гидроксид натрия

Угольный шлам

Общее значение

Природный газ

материал

Известь

Смешанная

ГЭС, АС

Нефть Здоровье

• 0,000507 0 -5,6E-06 2,54E-05 2,92E-07 -2,2E-07 2,69E-06 2,95E-07 1,69E-05 0,000255 3,59E-05 7,98E-08 0,000129 4,73E-05 человека

Качество

• 9,29E-05 0 -3,7E-07 2,64E-06 2,38E-08 -2,2E-08 2,71E-07 6,11E-08 3,4E-06 5,62E-05 2,97E-06 3,58E-08 2,21E-05 5,56E-06 экосистемы

Ресурсы — 0,006438 0,000344 0 2,25E-05 3,09E-07 -2E-07 4,51E-06 5,46E-08 9,91E-06 0,004868 0,000377 1,59E-07 0,000404 0,000409 Таблица Б.5 – Расчетные данные для анализа взвешивания производства алюминиевой по технологии 2

Категория Единица Общее Алюминиевая Алюминиевый Гидроксид натрия

Электроэнергия ущерба измерения значение банка (лом) лом (безводный, 50 % раствор) Общее mPt -146,947 0 -152,242 0,05987 5,23516 значение Здоровье mPt -89,4931 0 -92,7195 0,038684 3,187725 человека Качество mPt -29,9187 0 -30,0475 0,004032 0,124827 экосистемы

mPt -27,5353 0 -29,4751 0,017154 1,922608 Ресурсы

Таблица Б.6 – Расчетные данные по категориям влияния для анализа производства по технологии 2

Категория Единица Общее Алюминиевая Алюминиевый Гидроксид натрия

Электроэнергия ущерба измерения значение банка (лом) лом (безводный, 50 % раствор) Общее DALY -3,4E-06 0 -3,6E-06 1,49E-09 1,22E-07 значение Здоровье PDF*m2yr -0,38357 0 -0,38522 5,17E-05 0,0016 человека Качество MJ surplus -1,15695 0 -1,23845 0,000721 0,080782 экосистемы

Ресурсы DALY -3,4E-06 0 -3,6E-06 1,49E-09 1,22E-07 Таблица Б.7 – Расчетные данные по категориям воздействия для анализа производства по технологии 2

Единица Общее Алюминиевая Алюминиевый Гидроксид натрия Категория ущерба Электроэнергия

измерения значение банка (лом) лом (безводный, 50 % раствор)

Парниковые газы

DALY -2,6E-06 0 -2,6E-06 3,58E-10 1,43E-08

Респираторные DALY -5,5E-10 0 -5,7E-10 3,99E-13 2,38E-11 органические вещества

Респираторные DALY -7E-07 0 -8E-07 9,37E-10 9,59E-08 неорганические вещества

Изменение климата

DALY -1,2E-07 0 -1,3E-07 1,85E-10 1,18E-08

Радиоактивность

DALY -1,1E-09 0 -1,5E-09 4,25E-12 3,98E-10

Влияние на озоновый DALY -4,2E-11 0 -4,5E-11 8,06E-13 2,17E-12

слой

Экотоксичность

PAF*m2yr -3,528 0 -3,53619 0,000328 0,007858

Закисление/эвтрофикация

PDF*m2yr -0,0163 0 -0,01717 1,88E-05 0,000852

Землепользование

PDF*m2yr -0,01448 0 -0,01444 9,76E-08 -3,7E-05

Использование

минеральных

MJ surplus -0,49712 0 -0,49741 4E-05 0,000244

ископаемых

Использование MJ surplus -0,65983 0 -0,74104 0,000681 0,080538 ископаемого топлива Таблица Б.8 – Расчетные данные для анализа нормализации производства по технологии 2

Категория Единица Общее Алюминиевая Алюминиевый Гидроксид натрия

Электроэнергия ущерба измерения значение банка (лом) лом (безводный, 50% раствор) Здоровье — -7,5E-05 0 -7,5E-05 1,01E-08 3,12E-07 человека Качество — -0,00014 0 -0,00015 8,58E-08 9,61E-06 экосистемы

Ресурсы — -0,00022 0 -0,00023 9,67E-08 7,97E-06