Экологические проблемы аэрокосмической отрасли

(к.х.н., доцент. В.Ю. Александров)

 

Предприятия аэрокосмической отрасли имеют развитую сеть поставщиков комплектующих, производимых различными отраслями промышленности. Отметим, что производства легких сплавов, топлива и масел, резины, пластмасс, лакокрасок, авиадвигателей  относятся к предприятиям высокой категории опасности для объектов окружающей среды.

Собственно предприятия аэрокосмической отрасли можно, условно, отнести к металлообрабатывающим и сборочным производствам, которые наносят меньший ущерб объектам окружающей среды, в сравнении с названной обеспечивающей группой предприятий. Это можно проиллюстрировать на примере авиазаводов НСО: НАПО им. Чкалова и Новосибирский авиаремонтный завод.

В части негативного воздействия на атмосферный воздух эти заводы не входят в перечень из 20-ти приоритетных предприятий-загрязнителей атмосферы НСО, которые представлены в ежегодних докладах по состоянию окружающей среды области за период 1993-2004 гг. Естественно. Что при высоких энергетических и тепловых затратах для выпуска (ремонта) воздушных судов, это возможно за счет стороннего обеспечения тепловой и электрической энергией от ТЭЦ системы Новосибирскэнерго.

Наиболее значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха от авиазаводов образуется от испытательных полетав воздушных судов и от хранения ТС-1, а так же от участков лакокраски, сварки, гальваники. Напомню из предыдущих лекций, что для обеспечения законодательства по охране атмосферного воздуха предприятиями:

-проведена инвентаризация источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух,

-разработан том предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ

- получено разрешение на выброс загрязняющих веществ, ведется контроль источников выбросов

-проводится расчет платы за выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух и ее оплата в установленном порядке.

-представляется, в установленном порядке, форма государственного статистического наблюдения 2-ТП (воздух).

В части воздействия на водные объекты предприятия не имеют собственных водозаборов и выпусков промышленных и бытовых сточных вод в водные объекты. Их отведение, после систем локальной очистки, производится в систему МУП Горводоканал г. Новосибирска, деятельность которой мы рассматривали в одной из последних лекций.

Таким образом, основные экологические проблемы предприятий авиастроения связаны с организацией и ведением производственной природоохранной деятельности в части отходов производства и потребления, что рассматривалось в предыдущих лекциях. Напомню основные требования законодательства по отходам:

Проведена инвентаризация источников образования отходов.

Разработаны и согласованы нормативы образования отходов и лимиты на их размещение.

Заключены договора с лицензированными организациями на передачу отходов для обезвреживания или захоронения.

Определены места размещения и временного хранения отходов на площадке предприятия с их обозначением знаками и нанесением на план-схему.

Разрабатываются  паспорта отходов.

Ведется учет образования отходов.

Проводится расчет платы за размещение отходов и ее внесение  в установленном порядке.

Представляется, в установленном порядке, форма государственного статистического наблюдения 2-ТП (отходы).

Напомню из предыдущих лекций порядок обращения с наиболее типичными отходами предприятий авиастроения:

 

1. Отходы аккумуляторов (2-й – 3-й классы опасности).

На предприятиях авиапрома широко применяются два типа аккумуляторов – кислотные и щелочные. Они отличаются химическим составом электролита и электродов, которые, как отходы относятся к разным классам опасности.

Кислотные аккумуляторы.

Электролит – раствор серной кислоты, класс опасности 2-й.

Электроды – сплав свинца с сурьмой, класс опасности 3-й.

Щелочные аккумуляторы.

Электролит – раствор гидроокиси натрия, класс опасности 2-й.

Электроды – никель, класс опасности 3-й.

Общим подходом к обезвреживанию аккумуляторов является слив электролита и отделение электродов-пластин.

Электролит обезвреживается химическим методом простой реакцией нейтрализации:

Отработанная серная кислота гасится содой с образованием сульфата натрия, который относится к отходам 4-го класса опасности и может вывозиться на свалки.

Отходы гидроокиси натрия гасятся кислотой (соляной или серной) с образованием неопасных натриевых солей – вывоз на свалку. Отходы кислотных и щелочных электролитов, при правильной организации сбора аккумуляторов могут быть использовании для взаимного обезвреживания.

Отходы пластин – свинцовых и никелевых, направляются на специализированные предприятия по производству аккумуляторов в качестве вторсырья на переплавку.

В НСО на рынке приема и обезвреживания отходов аккумуляторов действуют 10 лицензированных организаций из которых только одна принимает щелочные аккумуляторы.

2. Отходы нефтепродуктов (3-й класс опасности).

Образуются в большом количестве и ассортименте в разных отраслях, в т.ч. аэрокосмической. Источники образования – регламентная замена масел в системах смазки и гидравлики, зачистка емкостей хранения, списание техники (в т.ч. воздушных судов и ракет). Специфическими для предприятий авиастроения являются отходы спецжидкостей для предотвращения обледенения воздушных судов. По химическому составу это гликоли, которые соответствуют 3-му классу опасности и фактически родственны отходам нефтепродуктов. При обработке воздушных судов остатки этих жидкостей должны собираться в отдельные емкости, учитываться и сдаваться на обезвреживание лицензированным организациям.

Прием и переработку отходов в НСО проводили 4 лицензированных организации. Наиболее перспективным представляется очистка отработанных масел с отделением мехпримесей и получением печного топлива. Продукт получил необходимые сертификаты. С учетом всех затрат цена реализации такого топлива в 2 раза ниже, чем самого дешевого топочного мазута.

3. Отработанные резиновые шины (4-й класс опасности).

Отработанные резиновые шины образуются в т.ч. при эксплуатации воздушных судов. Вывоз отходов шин на свалки запрещен нормативами, специализированные полигоны в НСО не созданы. Многие годы проблема утилизации шин не находила решения. В конце 2008 г. в г. Бердск получило лицензию и введено в эксплуатацию предприятие ООО «СибЭкоПром» проектной мощностью около 6 тыс. т.  в год отходов шин. Технология предусматривает глубокую переработку отработанных шин с получением вторичной резины (70% объема), легированного металла (20%), текстильного корда (10%). Полученный из отходов резиновый порошок используется для повышения качества асфальтовых дорог, производстве кровельных материалов, покрытий дорожек спортивных площадок. Извлеченный металлокорд сдается в систему вторчермет, либо специализированным заводам металлургии.

4. Отходы гальваники (1-й – 3-й классы опасности).

По данным городского комитета экологии мэрии г. Новосибирска отходы гальванических шламов образуются в ходе производственной деятельности 35 предприятий города. В число производств, использующих гальванические технологии, входят предприятия аэрокосмической отрасли – НАПО им. Чкалова и Новосибирский авиаремонтный завод.

После отработки электролитов образуются жидкие гальванические отходы. Наибольшую экологическую опасность представляют входящие в их состав ионы хрома (+6), кадмия (+2) и цианид ион, фторид ион. Ионы хрома (+3), меди, никеля, цинка, алюминия и железа представляют меньшую опасность.

Для снижения экологической опасности, до приемлемого 4-го класса отходов, производится химическими методами перевода в нерастворимые и малоподвижные в окружающей среде формы на локальных очистных сооружениях предприятий..

Содержащаяся в хромовых электролитах особо опасная форма хром (+6) переводится в менее опасную хром (+3) путем восстановления сульфатом железа.

Цианидные гальванические стоки обезвреживаются окислением перекисью водорода до безвредного азота.

Объединенные воды, содержащие ионы хрома (+3), меди, никеля, цинка, алюминия и железа обрабатывают гидроокисью кальция для осаждения гидроокисей гальванических металлов, которые имеют низкую растворимость и класс опасности отходов снижается до 3-го –4-го. Подсушенные осадки хранятся на территории предприятий в специальных металлических емкостях и железобетонных бункерах.

По данным городского комитета экологии мэрии г. Новосибирска на НАПО им. Чкалова для накопления отходов имеется две емкости, проектным объемом 33 и 180 куб.м., количество фактически хранимых отходов -- 22 т, % заполнения емкостей – 13%. На ОАО «Новосибирский авиаремонтный завод» для накопления отходов имеется два бетонированных бункера расчетной вместимостью 72 и 93 тонны, % заполнения емкостей – 9%. Т.о. предприятия авиастроения НСО имеют достаточный резерв для накопления отходов гальваники.

По данным лицензирующего органа лицензию на обезвреживание и хранение отходов 1-4 класс опасности имеет одно юридическое лицо – ЗАО «Институт химии неравновесных систем» (ИХНС). Отметим, что отдельного вида деятельности – обращение с отходами гальваношламов- приложение не выделяет. По информации специалистов лицензирующего органа в последнее время ИХНС создает технологические мощности по обезвреживанию отходов и, фактически, проводит только их накопление. Ранее эта организация неоднократно нарушала лицензионные требования и привлекалась к административной ответственности за экологические правонарушения.

Т.о. проблему обезвреживания отходов гальванических производств в НСО нельзя признать решенной.

5. Металлолом (4-й – 5-й классы опасности).

Изготовление воздушных судов и ракетной техники связано с привлечением большого количества технологий металлообработки и сопряжено с образованием значительного объема лома, преимущественно цветных металлов. Еще большие количества лома образуются при снятии с вооружения боевой техники, выводе из эксплуатации гражданских воздушных судов. Отдельную проблему представляют отделяющиеся части ракет носителей, когда 1-я и 2-я ступени ракет падают на выделенные отдаленные территории. Необходимо провести поисковые мероприятия, организовать анализ остатков токсичного топлива, вывести фрагменты к местам утилизации.

 Во всех случаях лом разделяется по видам, особо отделяются драгоценные металлы (контакты серебро, золото), учитывается и сдается в развитую в НСО систему лицензированных организаций втор цветмет и чермет.

6. Ртутьсодержащие отходы(1-й класс опасности).

Ртуть представляет большую опасность для здоровья населения и объектов природной среды. В предыдущих лекциях отмечалось, что по содержанию ртути установлены жесткие величины ПДК в объектах окружающей среды (воздух – 0,000 3 мг/куб.м., вода - 0,000 5 мг/л., почва – 2,1 мг/кг). Ранее ртуть достаточно широко использовали в электротехнике (игнитроны), медоборудовании (термометры, тонометры). Высокая опасность ртути была причиной поиска и реализации альтернативных решений – замена на электронные аналоги. В настоящее время широкое применение ртути находится только в люминесцентных лампах, что приводит к образованию чрезвычайно опасных ртутных отходов, как у населения, так и у юридических лиц. Содержание ртути в лампах достигает 300 мг/кг, что 150 раз превышает ПДК ртути в почве. В соответствие с ФЗ «Об отходах производства и потребления» отработавшие лампы подлежат сдаче на обезвреживание в лицензированные организации (в НСО два малых предприятия). За год по НСО на утилизацию поступает до 1 млн. ламп, что предотвращает попадание а объекты среды области до 50 кг ртути. Естественно, лицо, которое сдает лампы, оплачивает услуги по обезвреживанию (примерно 10 руб./шт.). В предыдущих лекциях отмечалось, что экологические программы г. Новосибирска и НСО выделяют дотации организациям медицины и народного образования для сдачи ртутных отходов до 1,5 млн. руб. ежегодно.

Методы обезвреживания ртутьсодержащих отходов основаны на низкой температуре кипения ртути 357С, что позволяет эффективно испарять ртуть.

Один из вариантов установки – испарение ртути в потоке воздуха с улавливанием на сорбент – активированный уголь. Эту технологию мы рассматривали в лекции по газоочистным методам. Здесь возникает проблема появления загрязненного ртутью отработанного сорбента. Однако, эти отходы значительно меньше по массе и объему, чем исходные лампы. Кроме того, эти отходы более управляемы, т.к. сосредоточены в одном предприятии подотчетном и поднадзорном. Сорбент, обычно, направляется на захоронение на спецполигон в Красноярском крае.

Другой вариант установки – испарение ртути в вакуум с улавливанием металла в ловушку, охлаждаемую жидким азотом. Здесь конденсируется чистая ртуть, которая может востребоваться на предприятиях, например для производства тех же ламп.

 

Т.о. если возникает проблема обезвреживания конкретных опасных промышленных необходимо изучить рынок лицензированных организаций (размещены на сайте лицензирующего органа – Зап. - Сиб. Управления Ростехнадзора). После изучения прейскурантов на услуги заключить договор с выбранной организацией, сдать отходы, оформить акт на выполненные работы, который является юридическим документом для учета движения отходов и отчета перед надзорными органами.

Во второй части лекции остановлюсь на особенностях  образования загрязняющих веществ в двигателях воздушных судов и возможностях их уменьшения. Условно считается, что вещества, выброшенные в атмосферу на высоте более 900 м не достигают поверхности земли и не влияют на качество атмосферного воздуха, во всяком случае на среду обитания человека. Поэтому нормирование выбросов авиадвигателей, отчетность 2-ТП(воздух), плата за загрязнение воздуха производится только для взлетно-посадочного цикла.

Уровень совершенства современных авиадвигателей очень высок и достигнутые коэффициенты полноты сгорания топлива близки к 0,96 в режиме малого газа и 0,99 в расчетных режимах работы. Особенно большой прогресс был достигнут в последней четверти 20-го века, что связано с ужесточением экологических требований ко всем процессам сгорания топлив в промышленно развитых странах.

При сгорании керосина в идеальных условиях, при температуре 1700С, образуется:

- основные продукты - диоксид углерода и пары воды

- побочные продукты – оксиды азота и оксиды серы.

В целом, названные продукты сгорания составляют всего 8,5 % от массы веществ, выбрасываемых двигателем в атмосферу. Основная масса выброса – около 91,5% - приходится на молекулярный азот, который без изменения химического состава проходит камеру сгорания.

Только очень малая часть – около 0,4% продуктов реального сгорания являются следствием «неидеальности» конструкции авиадвигателя допускающего неполное сгорания с образованием оксида углерода, углеводородов, сажи и оксидов азота. Основные причины – не идеальное смешение топлива с воздухом и отклонения от стехиометрического соотношения воздух/топливо при некоторых режимах работы двигателя.

 Оксиды азота образуются за счет окисления небольшой доли атмосферного азота кислородом по законам термодинамики:

 

N2 + O2 = 2 NO

 

 Оксиды серы образуются как продукт окисления соединений серы, входящих в состав керосина, в ходе горения топлива^

 

R—SH + O2 = SO2 + CO2 + H2O

 

Химический механизм образования сажи довольно сложен. Он связан с наличием в исходном керосине парафинов (предельных углеводородов) и ароматических соединений бензольной природы в ходе высокотемпературного процесса При высокой температуре происходит образование радикалов как парафиноподобных, так и ароматических. Взаимодействие этих радикалов приводит к образованию жидких капель  обогащенных углеродом и обедненных водородом в сравнении с исходными молекулами. Укрупнение размеров этих капель и приводит к образованию сажи.

Загрязняющие вещества в продуктах сгорания ТС-1 (напомню это около 0,4% от всех продуктов сгорания) по химическому составу разбиваются на следующие компоненты:

- оксиды азота – 84%

- оксид углерода – 11,8%

- углеводороды (недожег) – 4%

- сажа – 0,2%

- оксиды серы – 0,02%

Динамику совершенствования авиадвигателей можно проследить сравнением интегральной топливной эффективности, отнесенной к итоговому показателю авиатранспортной работы – количеству грузов (пассажиров) перевезенных на заданное расстояние (пассажиро-километр), т.е. чем ниже величина топливной эффективности, тем лучше экологическая характеристика двигателя:

1-е поколения самолетов (ТУ-104) – 70 г/пасс.-км

2-е поколения самолетов (ТУ-154) – 35 г/пасс.-км

3-е поколения самолетов (ТУ-204) – 19 г/пасс.-км

…………………………(АН-148) - 22 г/пасс.-км

…………………………..(ИЛ-114) - 21 г/пасс.-км

…………………………..(ИЛ-96) - 27 г/пасс.-км

Т.о., за 30 лет топливная эффективность серийных отечественных среднемагистральных самолетов улучшилась примерно в 4 раза.

В настоящее время, к числу отечественных воздушных судов, оснащенных двигателями, соответствующими действующим и перспективным международным требованиям по выбросам загрязнителей в атмосферу, относятся ТУ-204 и ИЛ-96-300 с двигателем ПС-90А, а так же ТУ-334 и Ве-200 с двигателем Д-436Т1.

 

В заключение лекции короткий фрагмент о ракетных экологических проблемах страны

По данным ФД «О состоянии окружающей среды РФ в 2010 г.» в 2010 г. специалистами ракетно-космической промышленности и Минобороны России осуществлен 31 пуск РН и МБР с космическими аппаратами научного, социально-экономического, коммерческого и специального назначения с космодромов Байконур, Плесецк и позиционного района МБР Домбаровский, в том числе пусков: РН “Союз” – 12, РН “Протон” – 12, РН “Рокот” – 2, РН “Космос-3М” – 1, РН “Молния-М” – 1, ракеты РС-20 –3. С космодрома Байконур проведено 24 пуска, космодрома Плесецк – 6 пусков, с позиционного района МБР Домбаровский – 1 пуск.

Особую экологическую опасность от запусков ракет представляет падение отделившихся первых ступеней в которых остаются значительные страховые запасы токсичных компонентов ракетного топлива. При осуществлении пусков 2010 года на территории Российской Федерации впервые за многие годы не задействовался ни один из районов падения, отведенных для штатного приземления первых ступеней РН и МБР, использующих высокотоксичные жидкие компоненты топлив. В общей сложности на различные орбиты было выведено 23 российских и 20 зарубежных космических аппаратов. Суммарное количество загрязняющих веществ в виде газообразных и конденсированных компонентов, поступивших в атмосферу в результате проведения 31 пуска РН и МБР, составило 5729,8 т, что не превышает доли процента от общих выбросов, произведенных в 2010 г. объектами промышленности, теплоэнергетики и транспорта, расположенными в регионах осуществления ракетно-космической деятельности.

Осуществленные в рамках экологического сопровождения пусков РН и МБР мероприятия по обеспечению безопасности населения, проживающего на территориях, прилегающих к районам падения ОЧРН, и по экологическому контролю объектов окружающей среды в этих районах с реализацией мер по очистке территорий от фрагментов ОЧРН и их утилизации в значительной степени способствовали снижению социально-экономических последствий ракетно-космической деятельности и ее негативного воздействия на окружающую среду.

Экологические обследования районов падения ОЧРН и МБР, проведенные в 2010 г. с применением современных методов анализов проб объектов окружающей среды, показали, что загрязнение компонентами ракетного топлива в местах падения первых ступеней ракет-носителей и МБР носит точечный характер. При этом отбор проб проводился как в районах падения ОЧРН, так и в населенных пунктах, расположенных на границах районов падения.

Оценка воздействия на объекты окружающей среды и население пусков РН и МБР, осуществленных в 2010 г. с космодромов Байконур, Плесецк и позиционного района МБР Домбаровский, показала, что эксплуатация ракетно-космической техники не привела к ухудшению общей экологической обстановки как в районах дислокации космодромов и позиционного района, так и в местах падения отделяющихся частей РН и МБР.

Необходимо отметить, что при концентрации внимания на земных экологических аспектах космической деятельности, практически остается не замеченной ее влияние на озоновый слой. Вмести с тем, продукты сгорания ракетных топлив содержат озоноразрушающие вещества – особенно соединения хлора и оксиды азота. Эти вещества выбрасываются непосредственно в озоновый слой в отличие от земных ОРВ, которым до озонового слоя нужно еще подниматься на 20-25 км.

 

Особым фактором негативного воздействия ракетно-космической деятельности на окружающую среду является техногенное засорение околоземного космического пространства космическим мусором.

Согласно расчетам, выполненным в 2010 г., вокруг Земли вращается свыше 15 000 неиспользуемых техногенных космических объектов, в том числе: отработавшие космические аппараты, ступени ракет-носителей, разгонные блоки и различные фрагменты этих объектов. Из общего количества объектов космического мусора 12 058 объектов – это третьи ступени ракет-носителей, разгонные блоки и конструкционные элементы космической техники, еще 3312 объектов – выведенные из эксплуатации и неработающие космические аппараты. В околоземном космическом пространстве насчитывается свыше 200 000 частиц космического мусора размером от 1 до 10 см, а количество частиц размером менее 1 см превышает десятки миллионов. В основном космический мусор сконцентрирован на высотах от 850 до 1500 км над поверхностью Земли, но много его на высотах полета низкоорбитальных космических аппаратов и Международной космической станции. При этом если космический мусор, расположенный на высотах ниже 600 км, входит в атмосферу и сгорает в ней в течение нескольких лет, то объектам космического мусора на высотах от 800 до 1000 км на это потребуются десятилетия, а на высотах свыше 1000 км, – сотни лет.