ÚVOD DO PRŮMYSLOVÝCH TECHNOLOGIÍ. Miroslav Richter

Transkript

1 ÚVOD DO PRŮMYSLOVÝCH TECHNOLOGIÍ Miroslav Richter Ústí nad Labem 2012

2

3 Úvod do průmyslových technologií Miroslav Richter Ústí nad Labem 2012

4 Autor: Ing. Miroslav Richter, Ph.D., EUR ING Vědecký redaktor: Prof. Ing. František Kepák, DrSc Oponenti: Prof. Ing. Otakar Sőhnel, DrSc. Prof. Ing. Milan Kuchler, CSc. Miroslav Richter Ústí nad Labem 2012

5 E M Tato publikace vznikla v rámci projektu Modernizace výuky technických a přírodovědných oborů na UJEP se zaměřením na problematiku ochrany životního prostředí, číslo CZ.1.07/2.2.00/ , realizovaného v rámci OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Tento projekt je součástí IPRM Ústí n. L. - Centrum

6 Předmluva Předmět Úvod do průmyslových technologií úzce navazuje na předmět "Obecná chemie", kde studenti získávají základní teoretické poznatky. Dále navazuje na předmět Fyzika a přístrojová technika, který je orientován na rozšíření základních znalostí fyziky ze středních škol. Předkládaný učební text Úvod do průmyslových technologií je první částí bloku technologických předmětů vyučovaných na Fakultě životního prostředí Univerzity J.E.Purkyně v Ústí n.l. Podává obsáhlejší výklad technologicky a technicky pojatých problémů použitelný pro studium dalších tématicky příbuzných předmětů. Cílem bloku těchto předmětů je seznámit posluchače s tokem materiálů a energií hlavně v průmyslových výrobních procesech a jejich fyzikálními i chemickými přeměnami. Dále seznamuje posluchače se základními pojmy, teoretickým základem a principy technologických procesů, konstrukcemi vybraných zařízení a možnostmi jejich využívání v průmyslové praxi. V předmětu Úvod do průmyslových technologií je věnována pozornost základním postupům získávání a úprav přírodních surovin, způsobům jejich dopravy do zpracovatelských podniků včetně systémů technologických doprav. Dále jsou vysvětleny základní technologické operace zpracování surovin a polotovarů na konečné výrobky, jejich skladování, balení a expedice ke spotřebitelům. Zároveň jsou popsány postupy výroby, rozvodu a přeměn energií, mechanismy sdílení tepla a hmoty. Ve stručnosti jsou uvedeny základy řízení technologických procesů. U všech probíraných partií je též věnována pozornost problematice ochrany pracovního prostředí a složek životního prostředí. Na předmět "Průmyslové technologie - úvod" navazují v bakalářských studijních oborech předměty "Průmyslová technologie I a II" nebo Přehled průmyslových technologií" a dále "Technologie ochrany životního prostředí". V navazujícím magisterském programu pokračuje výuka předměty "Průmyslové technologie III" zaměřené na vývoj k čistším technologiím a Biotechnologie užívané především ke zneškodňování nebezpečných látek vstupujících do životního prostředí. Blok technologicky orientovaných předmětů doplňují předměty orientované na analytickou chemii a monitoring jak v bakalářském tak magisterském stupni studia. Všechny uvedené předměty tvoří ucelené bloky ve studijních programech Fakulty životního prostředí. Jsou obsahově provázané s ostatními předměty bakalářských i magisterských studijních programů a studijních oborů. Učební text v elektronické podobě byl doplněn a aktualizován v roce 2012 v rámci projektu OPVK s pracovním názvem ENVIMOD. M. Richter 2

7 Doporučená metodika studia Obsah učebního textu je členěn do kapitol. Důležité partie textu jsou zvýrazněny tučným tiskem, podtržením nebo umístěním části textu s principielně důležitými poznatky a důležitými závěry do rámečku. V každé kapitole je ve stručnosti uvedena (-o, -y): - část úvodní seznamující s problémem a možnostmi jeho řešení, - část teoretická objasňující základní pojmy a principy, - schéma zařízení, - praktická část popisující konkrétní technologický postup a použitá zařízení s podmínkami provozu, - uplatnění příslušné technologie, omezení a rizika provozu, - kontrolní otázky. Student si musí samostatným studiem osvojit každou z uvedených částí textu s důrazem na zvládnutí oborové terminologie, technologických postupů a jejich chemismu, pokud je v textu uveden. Zároveň musí studující zvládnout principy funkce základních technologických zařízení. Uváděná zjednodušená schémata technologických postupů a zařízení musí být schopen načrtnout a popsat minimálně v rozsahu připojené legendy. Pro kontrolu úspěšnosti studia jsou připojeny kontrolní otázky. Jejich vypracováním a kontrolou správnosti odpovědí dle předchozího textu má student průběžně zpětnou vazbu o účinnosti studia. Za dobrý výsledek lze považovat min. 2/3 správných odpovědí. 3

8 Obsah 1 MATERIÁLOVÉ A ENERGETICKÉ BILANCE TĚŽBA A ÚPRAVA SUROVIN PŘÍRODNÍ ZDROJE PRŮMYSLOVÉ VYUŽITÍ NEROSTNÝCH SUROVIN DRUHOTNÉ SUROVINOVÉ ZDROJE TĚŽBA NEROSTNÝCH SUROVIN VE SVĚTĚ A ČR NEROSTNÉ SUROVINY MOŘÍ A OCEÁNů MOŘSKÁ VODA POVRCH MOŘSKÉHO DNA NEROSTNÉ SUROVINY POD POVRCHEM MOŘSKÉHO DNA TĚŽBA NEROSTNÝCH SUROVIN NA PEVNINĚ PODZEMNÍ - PODPOVRCHOVÁ TĚŽBA POVRCHOVÁ - LOMOVÁ TĚŽBA VLIVY TĚŽBY NA PŘÍRODNÍ PROSTŘEDÍ OMEZENÍ NEGATIVNÍCH VLIVŮ TĚŽBY NA ŽP ÚPRAVA TUHÝCH NEROSTNÝCH SUROVIN ROZPOJOVÁNÍ (DRCENÍ A MLETÍ) TŘÍDĚNÍ A ROZDRUŽOVÁNÍ MATERIÁLU FLOTACE LOUŽENÍ SUŠENÍ A KALCINACE HRUDKOVÁN, BRIKETOVÁNÍ, TABLETACE A GRANULACE DOPRAVA, SKLADOVÁNÍ A BALENÍ MATERIÁLU DOPRAVA ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE DOPRAVY TYPY DOPRAVY DRUHY DOPRAVY VODNÍ DOPRAVA ŽELEZNIČNÍ DOPRAVA AUTOMOBILOVÁ DOPRAVA LETECKÁ DOPRAVA POTRUBNÍ DOPRAVA TECHNOLOGICKÁ DOPRAVA SKLADOVÁNÍ SKLADOVÁNÍ PEVNÝCH SYPKÝCH SUBSTRÁTŮ SKLADOVÁNÍ KAPALIN SKLADOVÁNÍ PLYNŮ BALENÍ OBALOVÉ MATERIÁLY BALÍCÍ A MANIPULAČNÍ TECHNIKA NEGATIVNÍ ÚČINKY DOPRAVY A MANIPULACE S MATERIÁLEM NA ŽP ZÁKLADNÍ NEGATIVNÍ ÚČINKY A JEJICH PŮVOD OMEZENÍ NEGATIVNÍCH ÚČINKŮ DOPRAVY

9 4 ENERGETIKA ENERGIE, DRUHY A FORMY ENERGIE ENERGETICKÉ NÁZVOSLOVÍ A ZÁKLADNÍ POJMY SPOTŘEBA ENERGIE ZDROJE ENERGIE A ZÁSOBY ENERGETICKÝCH SUROVIN VYUŽITÍ FOSILNÍCH PALIV A CENOVÉ BARIÉRY VYUŽITÍ A ZTRÁTY ENERGIÍ ROZDĚLENÍ A VLASTNOSTI PALIV OTEVŘENÝ A UZAVŘENÝ OBĚH TEPELNÉ ENERGETICKÉ VÝROBNY VODNÍ ELEKTRÁRNY HYDROMECHANICKÉ POCHODY HYDROSTATIKA HYDRODYNAMIKA VISKOZITA TEKUTIN POVAHA TOKU ROVNICE KONTINUITY BERNOULLIHO ROVNICE MÍSTNÍ ZTRÁTY INERCIÁLNÍ ZTRÁTY DOPRAVA TEKUTIN DOPRAVA KAPALIN - ČERPADLA OBJEMOVÁ ČERPADLA PÍSTOVÁ ČERPADLA MEMBRÁNOVÁ ČERPADLA ODSTŘEDIVÁ ČERPADLA ŠNEKOVÁ ČERPADLA VŘETENOVÁ ČERPADLA ZUBOVÁ ČERPADLA A ČERPADLA S ROTUJÍCÍMI PÍSTY HADICOVÁ ČERPADLA A PERISTALTICKÁ ČERPADLA OSTATNÍ TYPY ČERPADEL DOPRAVA A KOMPRESE PLYNŮ KOMPRESORY DMYCHADLA VENTILÁTORY VÝVĚVY ROZDĚLOVÁNÍ HETEROGENNÍCH SMĚSÍ ODLUČOVÁNÍ TUHÝCH NEBO KAPALNÝCH ČÁSTIC Z TEKUTIN ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE ODLUČOVAČŮ PŮVOD A VLASTNOSTI TUHÝCH A KAPALNÝCH ČÁSTIC TVAR ČÁSTIC MĚRNÁ, SYPNÁ A SETŘESNÁ HMOTNOST TUHÝCH ČÁSTIC DISTRIBUCE TUHÝCH ČÁSTIC MĚRNÝ POVRCH ČÁSTIC PERMITIVITA

10 7.1.8 ELEKTRICKÝ NÁBOJ ČÁSTIC ELEKTRICKÝ ODPOR SYPNÝ ÚHEL A ÚHEL SKLUZU LEPIVOST OPOTŘEBENÍ SMÁČIVOST VÝBUŠNOST ROZPUSTNOST FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ODLUČOVÁNÍ GRAVITAČNÍ SÍLA ODSTŘEDIVÁ SÍLA ELEKTROSTATICKÁ SÍLA DIFUZNÍ JEVY KOAGULAČNÍ JEVY FILTRACE KONSTRUKCE A TECHNICKÉ PARAMETRY ODL. PRACHU SUCHÉ MECHANICKÉ ODLUČOVAČE PRACHU - CYKLÓNY MOKRÉ MECHANICKÉ UČOVAČE SPRCHOVÉ VĚŽE PĚNOVÉ ODLUČOVAČE PROUDOVÉ ODLUČOVAČE DALŠÍ TYPY MOKRÝCH MECHANICKÝCH ODLUČOVAČŮ ELEKTROSTATICKÉ ODLUČOVAČE VERTIKÁLNÍ TRUBKOVÉ ODLUČOVAČE HORIZONTÁLNÍ KOMOROVÉ ODLUČOVAČE TEXTILNÍ FILTRY FYZIKÁLNĚ-MECHANICKÉ ČIŠTĚNÍ KAPALIN LAPÁKY ŠTĚRKU A PÍSKU ČESLE SÍTA LAPÁKY OLEJŮ A TUKŮ USAZOVÁKY FILTRAČNÍ ZAŘÍZENÍ KAPALIN NUČ KOMOROVÉ FILTRY SVÍČKOVÉ FILTRY BUBNOVÉ FILTRY PÁSOVÉ FILTRY A PÁSOVÉ LISY ODSTŘEDIVKY DEKANTÉRY FILTRAČNÍ ODSTŘEDIVKY SDÍLENÍ TEPLA SDÍLENÍ TEPLA VEDENÍM (KONDUKCÍ) SDÍLENÍ TEPLA SÁLÁNÍM (RADIACÍ) SDÍLENÍ TEPLA PROUDĚNÍM (KONVEKCÍ) PROSTUP TEPLA

11 8.5 ZAHŘÍVÁNÍ, CHLAZENÍ A KONDENZACE ZAHŘÍVÁNÍ CHLAZENÍ VÝMĚNÍKY TEPLA ODPAŘOVÁNÍ PŘESTUP HMOTY - DIFÚZNÍ PROCESY ABSORPCE TERMODYNAMIKA ABSORPCE KINETIKA ABSORPCE KONSTRUKCE A TECHNOLOGICKÉ USPOŘÁDÁNÍ ABSORPCE ABSORPCE S CHEMICKOU REAKCÍ (PŘÍLADY) DESORPCE (EXSORPCE) ADSORPCE FYZIKÁLNÍ ADSORPCE CHEMISORPCE TERMODYNAMIKA ADSORPCE KINETIKA ADSORPCE ADSORBÉRY S PEVNÝM LOŽEM ADSORBÉRY S POHYBLIVÝM LOŽEM KRYSTALIZACE FÁZOVÁ ROVNOVÁHA KINETIKA RŮSTU KRYSTALŮ HLAVNÍ TYPY KRYSTALIZÁTORŮ GRANULACE, TABLETACE, ŠUPINKOVÁNÍ SUŠENÍ MECHANISMUS SUŠENÍ MATERIÁLOVÁ BILANCE KONTINUÁLNÍ PROTIPROUDÉ SUŠÁRNY ENTALPICKÁ BILANCE KONTINUÁLNÍ PROTIPROUDÉ SUŠÁRNY TEORETICKÉ ŘEŠENÍ SUŠENÍ POMOCÍ STAVOVÉHO DIAGRAMU ZÁKLADNÍ KONSTRUKČNÍ TYPY SUŠÁREN DESTILACE A REKTIFIKACE CHARAKTERISTIKA SOUSTAV ROVNOVÁŽNÝ ISOBARICKÝ FÁZOVÝ DIAGRAM NEAZEOTROPNÍ SOUSTAVY ROVNOVÁŽNÝ ISOBARICKÝ FÁZOVÝ DIAGRAM AZEOTROPNÍ SOUSTAVY ZÁKLADNÍ TYPY DESTILACÍ EXTRAKCE ROVNOVÁŽNÝ DIAGRAM PRO EXTRAKCI ZPŮSOBY PROVÁDĚNÍ EXTRAKCE KAPALINY KAPALINOU TYPY EXTRAKTORŮ A EXTRAKČNÍCH KOLON PRŮMYSLOVÉ POUŽITÍ EXTRAKTORŮ ZÁKLADY SYSTÉMŮ ŘÍZENÍ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ ZÁKLADNÍ POJMY, ZÁKLADNÍ PRVKY OBVODŮ MĚŘENÍ A ŘÍZENÍ METODY MĚŘENÍ FYZIKÁLNÍCH A FYZ.-CHEMICKÝCH VELIČIN TEPLOTA TLAK

12 HLADINA PRŮTOK HMOTNOST HUSTOTA ELEKTRICKÉ VELIČINY KVALITATIVNÍ VELIČINY ZÁKLADY TEORIE ŘÍZENÍ PŘECHODOVÉ CHARAKTERISTIKY ZÁKLADNÍ STRUKTURA ŘÍDÍCÍHO OBVODU OBECNÝ POPIS ČÍSLICOVĚ ŘÍZENÉ SOUSTAVY ZPŮSOBY OZNAČOVÁNÍ OBVODŮ MĚŘENÍ, REGULACE A ŘÍZENÍ ÚPRAVA VODY ZDROJE VOD POVRCHOVÉ VODY PODZEMNÍ VODY POTRUBNÍ SÍTĚ TECHNOLOGIE ÚPRAVY PITNÉ VODY TECHNOLOGICKÉ PROCESY ÚPRAVY POVRCHOVÉ VODY MECHANICKÉ PŘEDČIŠTĚNÍ VODY PŘED ÚPRAVNOU ÚPRAVA ph ÚPRAVA VODY ČIŘENÍM ODŽELEZOVÁNÍ A ODMANGANOVÁNÍ FILTRACE DESINFEKCE OSTATNÍ TECHNOLOGICKÉ OPERACE UŽÍVANÉ PŘI ÚPRAVĚ VOD TECHNICKÉ PLYNY ZÁKLADNÍ FYZ.-CHEM. VLASTNOSTI TECHNICKÝCH PLYNŮ VÝROBA TECHNICKÝCH PLYNŮ CHEMICKÉ VÝROBNÍ POSTUPY FYZIKÁLNÍ POSTUPY VÝROBY TECH. PLYNŮ DOPRAVA A SKLADOVÁNÍ TECHNICKÝCH PLYNŮ LITERATURA

13 1.0 Materiálové a energetické bilance V současnosti o komerční úspěšnosti konkrétních výrobních postupů rozhodují vedle kvality, užitných vlastností produktů a ekonomických ukazatelů konkrétní výrobní technologie také minimalizace negativních vlivů na pracovní a životní prostředí. Velmi důležitou vstupní informací jsou údaje o spotřebě všech surovin, pomocných látek a energií, informace o jejich tocích - množství a složení ve všech vstupních a výstupních proudech i mezi jednotlivými technologickými operacemi. Z tohoto důvodu je nezbytné pečlivé bilancování všech toků materiálů a energií. Základem pro zpracování bilancí jsou zákony zachování hmoty a energie, které lze obecně vyjádřit následovně: Σ hmot vstupujících do systému = Σ hmot vystupujících ze systému + akumulace v systému Σ energií ve vstupních proudech + energie dodaná systému = = Σ energií ve výstupních proudech + vykonaná práce + akumulace energie v systému Materiálové bilance jsou vždy základem pro zpracování bilancí energetických. Při úplné energetické bilanci se do jednotlivých položek zahrnují všechny druhy energií, jako jsou např. energie tepelná, vnitřní, potenciální, kinetická, povrchová, tlaková, elektrická, energie proudící kapaliny. Často je sestavována zjednodušená energetická bilance, v níž jsou vynechány ty položky, které jsou vůči ostatním zanedbatelné. Nejběžnější formou energetických bilancí jsou tepelné - entalpické bilance. Tepelnou bilanci průtočného systému lze vyjádřit obecným vztahem: H vstup + Q = H vystup, kde H vstup je celkový vstupní a H vystup je celkový výstupní entalpický tok a Q je tepelný tok převáděný přes hranici systému. Tepelnou bilanci lze sestavit jak pro množství tepla (J), tak pro tepelné toky (J/h). Záleží na tom, zda je základem tepelné bilance jednotka množství (kg, kmol) nebo jednotka toku látky (kg/h, kmol/h). Zpracování detailní materiálové a energetické (tepelné) bilance pro každou výrobní operaci a nakonec celou výrobnu konkrétního produktu dává jasný přehled jak o pohybu hmot a energií v systému, tak i všech ztrátách materiálu a energií. Vlastní technika bilančních výpočtů je samostatně popsána ve sbírce příkladů k předmětu "Úvod do průmyslových technologií". Konkrétní příklady jsou probírány na cvičeních k tomuto předmětu. 9

14 Spotřeby surovin a energií vztažené na jednotku produkce, zpravidla 1 tunu výrobku, definují příslušnou spotřební normu. Spotřební normy surovin a energií náleží do skupiny tzv. technicko-hospodářských norem (THN). THN dále zahrnují např. normy spotřeby práce výrobních dělníků, normy skladových zásob, finančně vyjádřené normy údržby technologického zařízení aj. Účinnost využití vstupních surovin a tím úroveň ztrát, která vyplývá z THN, rozhodujícím způsobem ovlivňuje nejen ekonomické, ale i ekologické parametry příslušné výroby. Surovinová a energetická náročnost konkrétních výrob ukazuje na čerpání příslušných přírodních zdrojů. Množství ztrát materiálů, jejich fyzikální, chemické a případně toxikologické vlastnosti určují vznik a charakter plynných, kapalných a tuhých odpadů, resp. nároky na jejich úpravu, přepracování a opětné využití ve výrobě. Ztráty energií do okolí např. sáláním, množství a teplota vypouštěných oteplených vod, plynů a par vypovídají o tepelném znečištění vody a atmosféry. Promítají se přímo do technicko-hospodářských norem, ale zároveň jsou dle nich stanovovány vlivy příslušné výroby na pracovní a životní prostředí. Pokud jsou v příslušném stupni schvalovacího řízení projektu nebo rozhodnutím o zkušebním či trvalém provozu výrobny potvrzena orgány státní správy, stávají se závaznými pro projektanta ve fázi projekce a následně pro provozovatele konkrétní výrobní technologie. Např. překročení množství a koncentrací škodlivin v některém z materiálových toků zjištěné na základě objektivního měření je ze zákona důvodem pro zahájení správního řízení. Při prokázání technologické nekázně oproti reglementovaným a schváleným parametrům pokutuje správní orgán provozovatele výrobní technologie nebo má až právo příslušnou výrobu zastavit. Spotřeby surovin a energií vztažené na jednotkovou produkci (t.j. technickohospodářské normy) vyjádřené v peněžních jednotkách jsou označovány jako přímé náklady výroby. Promítají se tak do výrobních nákladů výroby konkrétního produktu a jsou součástí jeho ceny. Úroveň využití vstupních surovin a energií se tak bezprostředně promítá až do ekonomických výsledků provozovatele dané výrobní technologie včetně dosahovaného zisku. V konečné fázi rozhoduje využití surovin a energií spolu s dalšími parametry výroby a výrobku o konkurenceschopnosti výrobní technologie a výrobku na trhu. Materiálové a energetické bilance jsou vždy součástí předprojektové, projektové a provozní dokumentace (technologického reglementu včetně příslušných THN) každé výroby. Poskytují zásadní údaje nezbytné pro zpracování studií vlivu technologií na složky životního prostředí (EIA), posuzování a akreditaci technologií dle norem ISO 9000 a ISO 14000, vydávání příslušným certifikátů. Výše uvedené skutečnosti dokumentují význam materiálových a energetických bilancí pro průmyslové výrobní technologie. Bližší podrobnosti k metodice s příklady výpočtů materiálových a energetických bilancích jsou v publikaci Sbírka příkladů z obecné a průmyslové chemie autorů T.Loučka, M.Richter vydané FŽP UJEP pro potřeby studentů 1. a 2. ročníků bakalářského studia všech oborů. Úplný text sbírky je také dostupný na www stránkách pod adresou Kontrolní otázky 1. Které zákony jsou základem pro zpracování materiálových a energetických bilancí? 2. K jakým účelům v technické praxi jsou materiálové a energetické bilance určeny? 10

15 3. K jakým účelům v ekonomické praxi jsou materiálové a energetické bilance určeny? 2.0. Těžba a úprava nerostných surovin 2.1. Přírodní zdroje Obnovitelné přírodní zdroje jsou zdroje surovin, které se v přírodě buď samovolně probíhajícími procesy nebo procesy záměrně realizovanými člověkem obnovují. Mezi obnovitelné přírodní zdroje (nejdůležitější složky přírodního bohatství) náleží např. voda, vzduch, půda a na ní rostoucí zemědělské a lesní kultury. Obnovitelným zdrojem jsou rovněž produkty živočišné výroby nebo lovu zvěře. Již z tohoto výčtu a zkušenosti je patrné, že v určitém stádiu rozvoje lidské společnosti nelze vyloučit antropogenní poškození obnovitelných přírodních zdrojů, kterým může být jejich reprodukce částečně nebo zcela blokována. Obnovitelné suroviny jsou zpravidla chráněny zákony na ochranu přírody nebo životního prostředí (Zákon o ochraně vod, Zákon o ochraně ovzduší, Zákon o půdě, Zákon o odpadech aj.). Plný text příslušných zákonů, prováděcích vyhlášek, předpisů a emisních limitů je dostupný na internetové adrese Ministerstva životního prostředí pod adresou Neobnovitelné přírodní zdroje - jsou zpravidla ložiska minerální nerostných surovin, která se v přírodě neobnovují 1. Nerostnými surovinami se mohou stát ty nerostné přírodniny, které lze využít přímo nebo po úpravě k průmyslovému přepracování. Přírodniny lze seřadit dle kvantitativních a kvalitativních hledisek do následující posloupnosti: - výskyt přírodniny - akumulace v přírodním prostředí koncentrace v příslušných minerálech je tak nízká nebo z pohledu úpravárenských procesů tak nevýhodná, že její průmyslové využití za daného stupně technologického rozvoje neumožňuje její ekonomické využití. Zařazení mezi nerostné suroviny proto za daných podmínek není možné. - zdroj nerostné suroviny - je akumulace přírodniny, která v současnosti nebo za definovaných podmínek v blízké budoucnosti je využitelná pro průmyslovou těžbu dle předpokládaného nebo geologickým průzkumem ověřeného rozsahu zásob. 1 V některých případech je rychlost obnovy přírodních nerostných zdrojů tak nízká oproti úrovni těžby ložisek v jiných lokalitách, že ji lze zanedbat. Příkladem nechť je rychlost vzniku vápenců na korálových útesech tropických moří proti objemům jejich průmyslové těžby. 11

16 - ložisko nerostné suroviny - akumulace žádaného minerálu v přírodním prostředí a konkrétní lokalitě je tak velká, že je technologicky i ekonomicky schůdná těžba a zpracování příslušného minerálu. - rudy - nerostné suroviny, ze kterých lze získat kovy. 2 Neobnovitelné suroviny jsou ve většině zemí předmětem zákonné ochrany, v ČR tzv. Horního zákona. Základem ochrany nerostného bohatství je důsledné vedení jeho evidence. Vstupní data pro tuto evidenci poskytuje geologický průzkum a na něj navazující metody výpočtů zásob nerostných surovin. Výpočty zásob nerostných surovin se liší dle skupenství nerostné suroviny: - pevné suroviny jsou bilancovány v tom stavu, v jakém se vyskytují v ložisku bez ohledu na metody těžby, úpravy nebo možností jejich dalšího využití, - kapalné nerostné suroviny (podzemní voda, ropa), - plynné suroviny 3 (zemní plyn, karbonský plyn) jsou bilancovány s ohledem na vytěžitelný podíl zásob. Z metod výpočtů zásob pevných nerostných surovin jsou nejdůležitější následující: - metoda bloků (geologických nebo těžebních), - metoda řezů (horizontálních, vertikálních nebo kombinovaných), - metody statistické (koeficient rudonosnosti aj.), - metoda izolinií. Zásoby podzemních vod jsou vyjadřovány tzv. vydatností zdroje (např. v m 3. s -1 ), která prakticky odpovídá výši přítoku vody, kterou lze z ložiska čerpat, aniž by došlo k narušení režimu v ložisku (pánvi, zvodni). Zásoby ropy a zemního plynu jsou vypočítávány metodami objemovými nebo statistickými. Objemová metoda předpokládá náhradu nerostné suroviny v pórech kolektorské horniny např. vodou a objem vytěsněné ropy nebo zemního plynu je jí úměrný. Takto zjištěný objem je násoben koeficientem výtěžnosti závislým na ložiskovém režimu: - efektivní režim tlakových vod: 0,6-0,8 - efektivní režim plynové čepice: 0,5-0,7 - neefektivní režim plynové čepice: 0,4-0,6 - režim rozpuštěného plynu: 0,2-0,4 - gravitační režim: 0,1-0,2 Např. při gravitačním režimu v ložisku zůstává 80 90% zásob ropy jako nevytěžitelný podíl. Statistické metody výpočtu zásob vycházejí z extrapolace empiricky získaných křivek závislosti poklesu tlaku v ložisku na objemu vyčerpané nerostné suroviny. Výpočty zásob nerostných surovin je nutné korigovat dle použité technologie geologického průzkumu, technologie těžby nebo dle skutečných těžebních poměrů v ložisku, stádiu těžby a pod. 2 Rudy mohou obecně obsahovat sloučeniny více kovových prvků. Pak je hovořeno o polymetalických rudách. V některých případech rudy kovů obsahují i další průmyslově využitelné složky, např. síru v sulfidických rudách (pyrit, chalkopyrit, galenit, sfalerit, blejno zinkové aj.). Pak může být ruda významnou surovinou jak pro hutnictví tak i pro chemický průmysl. 3 Základní složkou přírodních plynů je metan. Ten je často provázen oxidem uhličitým, dusíkem, sulfanem, ale i např. heliem. 12

17 Hodnocení zásob nerostných surovin se vždy vztahuje k tzv. geologickým zásobám vyjadřujícím s co možná největší přesností množství a kvalitu nerostné suroviny v přirozeném uložení - ložisku. Jsou rozlišovány zásoby nerostných surovin: - prognózní (předpokládané) geologické zásoby - jedná se o zásoby nerostných surovin, u nichž je geologický průzkum a bilance zásob teprve rozpracována a dále se zpřesňuje. - ověřené geologické zásoby: Ověřené geologické zásoby se na ložiscích nerostných surovin dělí v současnosti podle úrovně znalostí o ložisku a báňsko-technických podmínek dobývání do čtyř kategorií: A, B, C 1 a C 2. Bilanční zásoby vyhovují podmínkám dobývání a zpracování, jsou určeny k hospodářskému využití. Nebilanční zásoby vyhovují podmínkám dobývání a zpracování, ale jejich hospodářské využití není z různých důvodů vhodné (ochrana krajiny a životního prostředí, narušení nebo likvidace sídel, kulturních památek aj.). 4 Dále jsou rozlišovány geologické zásoby: - volné - určené k hospodářskému využití bez dalších omezení, - vázané - netěžitelné zásoby v ochranném pilíři těžních jam a povrchových lomů, zařízení dolů, vybraných sídel, veřejných komunikací, vodních toků nebo zdrojů minerálních vod a pod. 5 Všechny geologické zásoby, ať již bilanční a nebilanční, volné nebo vázané jsou evidovány odděleně Českým geologickým úřadem. Náklady na využití ložisek mají následující položky: - geologický průzkum: - je určen k vyhledávání a ověření zásob nerostných surovin v ložiscích. - otevření těžby: - zahrnuje náklady na vystavění těžebního a úpravárenského závodu, výstavbu inženýrských sítí (např. přívodní linky elektřiny, vody, kanalizační sítě, komunikace, skládky pro uložení odpadů z úpravny) včetně vyvolaných investic, např. výstavbu ubytovacích zařízení s jejich infrastrukturou. - těžbu: - zahrnuje veškeré náklady spojené s provozem těžebního závodu, např. povrchového lomu nebo hlubinného dolu, vrtů na jímání podzemních vod, ropy, zemního plynu. - úpravu nerostných surovin: - tato nákladová položka zahrnuje všechny náklady spojené s úpravou nerostné suroviny nutnou pro další její průmyslové využití. 4 Principiálně není vyloučeno využití nebilančních geologických zásob v budoucnosti. Např. využitím nových těžebních technologií nebo změnou situace na trhu surovin, ekonomických podmínek těžby a úpravy suroviny, které umožní výraznější investice do otevření ložiska včetně eliminace rizik pro okolí. 5 Např. pod Teplicemi je ponechán piliř v ložisku hnědého uhlí chránící prameny léčivých termálních vod. 13

18 - rekultivace: - do položky rekultivací jsou zahrnuty všechny náklady spojené se sanací těžební lokality území - po ukončení těžby. Ztráty při těžbě a využití nerostných surovin jsou vyvolány hlavně následujícími příčinami: - zvolenou technologií těžby - při podzemním dobývání obvykle ztráty dosahují 10-30%, ale mohou dosáhnout i hodnoty 50%. Jejich největší část většinou tvoří ochranné pilíře báňských staveb, jak bylo uvedeno dříve. - úpravárenskou technologií - ztráty zpravidla rostou s poklesem koncentrace užitkového nerostu v surovině, s jeho jemnou zrnitostí a nepravidelným rozložením ve výchozích nerostech, chemickým složením, případně složitou krystalickou strukturou minerálů. Ztráty v úpravně dosahují obvykle hodnot do 10 %, ale mohou dostoupit až 40 %. Toto významně zatěžuje odpadové hospodářství úpravny a její ekonomiku. - ztráty během přepravy - veškeré dopravní systémy užívané mezi těžními provozy a zpracovatelskými provozy vykazují určité ztráty surovin. Vyšší ztráty vykazují systémy přepravy volně ložených materiálů (otevřené železniční vagóny, nákladní auta a lodě), uzavřené přepravní systémy mají obecně ztráty nižší (kontejnery, cisterny, přepravní vaky a pytle). Ztráty vznikají závadami na těchto systémech nebo vlastnostmi přepravovaného materiálu (např. lepivost, prašnost). Vyšší ztráty vykazují materiály práškovité úletem prachu do okolí (např. za větrného počasí během přepravy a překládky) nebo materiály lepivé, případně mokré a v zimě přimrzající k povrchu dopravních zařízení. Ztráty během přepravy se pohybují mezi 2-5 %. - zpracovatelskou technologií - při přepracování upravené nerostné suroviny na konečný produkt se ztráty běžně pohybují kolem 3%, výjimečně dosahují až 10%. Obvykle ztráty při přepracování rostou s počtem technologických operací. 2.2 Průmyslové využití nerostných surovin Nerostné suroviny lze rozdělit do několika základních skupin dle jejich převažujícího uplatnění v průmyslové praxi. Dále jsou uvedeny jednotlivé skupiny a hlavní nerostné suroviny, které do nich náleží: Energetické suroviny: Do skupiny neobnovitelných energetických surovin náleží všechna fosilní paliva nebo přírodní suroviny nezbytné pro jejich výrobu: - antracit, černé a hnědé uhlí, lignit, hořlavé břidlice, rašelina. - ropa. - zemní plyn ropný a karbonský. - uran, thorium. Rudy pro hutnictví železa a neželezných kovů: Do této skupiny nerostných surovin náleží rudy hlavně oxidické a jejich hydráty, sulfidické a uhličitanové rudy umožňující hutnickou výrobu kovů: - železa, manganu, chrómu, molybdenu, wolframu, vanadu, kobaltu, titanu, olova, mědi zinku, cínu, rtuti, hliníku, hořčíku, antimonu. 14

19 - průmyslové vzácné kovy a prvky, např. arsen, bismut, kadmium, selen, berylium, zirkon, tellur, tantal, niob, lithium, cesium, gallium, rhenium, indium, rubidium, rhodium, zlato, stříbro, platina a prvky vzácných zemin. Chemické suroviny: - sirné (pyrit, elementární síra), - chloridy (NaCl - kamenná sůl, KCl sylvín aj.), - fosfáty fosforečnany vápenaté (fosfority sedimentárního původu a apatity vulkanického původu), - vápenec (CaCO 3 ), dolomit (CaCO 3.MgCO 3 ), magnezit (MgCO 3 ), - dusičnany (NaNO 3 - chilský ledek), - trona (Na 2 CO 3.NaHCO 3.2 H 2 O), potaš (K 2 CO 3 ), - boráty (zpravidla sodné soli a jejich hydráty odvozené od kyseliny borité), - sádrovec (CaSO 4.2 H 2 O), - nerosty lithia a stroncia, - solanky nasycené roztoky uhličitanů a chloridů sodných, draselných aj. pocházející z přírodních slaných jezer (USA, Mexiko, jižní Sahara, Izrael, Střední Asie, Čína, Austrálie) nebo ze zatopených solných dolů. Stavební a brusné suroviny: - stavební kameny, štěrk (žula, rula, čedič, znělec, pískovec, opuka, mramor), - cementářské suroviny (vápence, jíly a slínovce s vysokým podílem vápenatých sloučenin), - jíly (např. cihlářské, keramické), - písek (např. říční štěrkopísek, štukatérský písek), - asfalt, křemen, slída, diatomit, magnezit, okry, - granát, korund, diamant. Hutnické žáruvzdorné a průmyslové nerudné suroviny: - azbest, slída, grafit, mastek, diatomit, magnezit, kryolit, živec, dolomit, bauxit, kaolin, písek, jíly, kyanit, křišťál, silimanit, nefeliny. Klenotnické suroviny: - diamant, korund, beryl, spodumen, opál, turmalin, spinel, chrysoberyl, granát, křemen, serpentin, malachit, rhodonit Druhotné surovinové zdroje Druhotným surovinovým zdrojem jsou rozuměny všechny zpracovatelné odpady a opotřebované předměty, které jsou samostatně shromažďovány a zpracovávány z výrobní i nevýrobní sféry. Druhotné suroviny se vyznačují: - využitelností alespoň části látkové substance pro výrobu nových výrobků, užitných předmětů, - technicko-technologickou a ekonomickou schůdností třídění, sběru, svozu a přepracování odpadních materiálů. Druhotné suroviny lze rozdělit do následujících základních skupin odpadních materiálů: - železné a neželezné kovy, - papír a lepenka, - textilie přírodní a syntetické, 15

20 - plastové fólie, nádoby a výlisky, - sklo čiré a barevné, - upotřebené oleje a maziva minerálního původu, - upotřebené potravinářské oleje a tuky, - technická pryž a pneumatiky, - stavební odpad (cihly, prefabrikáty, maltoviny, dřevo aj.), - odpady z energetiky (škvára, struska, popílek, energosádra, energosádrovec), - elektronika a elektrické spotřebiče, - svítidla - žárovky, zářivky a výbojky, - nátěrové hmoty a ředidla, - suché baterie a akumulátory, - léčiva a chemikálie (např. upotřebené vývojky z fotochemie, mořící lázně z hutnictví). - biologické odpady zkrmitelné, kompostovatelné, fermentovatelné a pod. Odpady jsou kvalitní druhotnou surovinou za předpokladu, že se je podaří v místě vzniku (u původce) v maximální možné míře vytřídit ručně (např. v domácnostech a provozovnách služeb) nebo strojově a bez dalšího znečištění je předat k přepracování. Znečišťující látky vždy druhotnou surovinu znehodnocují, zhoršují její využitelnost a mohou být až příčinou její další nezpracovatelnosti. Nečistoty v každé surovině, tedy i surovině druhotné, obecně zvyšují spotřební normy surovin a energií, množství odpadů všech skupenství, riziko poruchovosti technologického zařízení a zhoršení kvality výrobků. Tím se zhoršená kvalita surovin promítá přímo do výrobních nákladů a ekonomiky výroby. Proto je důležitým kritériem zpracovatelnosti druhotných surovin ekonomická efektivnost celého procesu využití druhotné suroviny zahrnující veškeré finanční náklady spojené s jejich přepracováním. 2.4 Těžba nerostných surovin ve světě a ČR Kvantitativní úroveň těžby a kvalita využívání nerostných i druhotných surovin je obecně závislá na stupni ekonomického a technologického rozvoje společnosti a konkrétního státu. Státní správa vymezuje pomocí zákonů a státních norem a zpravidla jen po přechodnou dobu také norem oborových, podnikových. Tím jsou definovány všeobecné podmínky pro využívání nerostných a druhotných surovin. Zároveň jsou stanoveny emisní limity do odpadních vod a ovzduší, tj. podmínky pro minimalizaci poškozování pracovního a životního prostředí, kontrolních mechanismů i sankcí za neplnění stanovených podmínek. Uvedené faktory spolu s vývojem mezinárodně-politické situace vždy zasahovaly do využívání surovinových zdrojů a celkového ekonomického vývoje. Tuto obecnou charakteristiku lze dokumentovat na příkladu vývoje od začátku dvacátého století, kdy byla těžba nerostných surovin významně ovlivněna: - druhou průmyslovou revolucí (pohony parní nahradily pohony elektrické), - oběma světovými válkami s prudkým rozvojem válečného průmyslu surovinově a energeticky náročného, - vědecko-technickou revolucí ve druhé polovině 20. století (po 2. světové válce), - ropnou a surovinovou krizí v roce 1973, 16