Оптимизация параметров рециклинга железа на базе исследования закономерностей его движения в техносфере

Наступившее тысячелетие в передовых индустриальных странах мира окончательно утвердило глобальный подход к оценке эффективности использования и управлению вторичными ресурсами, важнейшим из которых является металлический лом. В промышленно развитых странах на государственном уровне уже длительное время успешно используется методика расчета затрат различных ресурсов на технологические процессы, в основу которой положен принцип «cradle to gate» (от истока до выхода) или «от колыбели до могилы», впервые предложенный в США в 1960 году. «Анализ жизненного цикла» («Life Cycle Analysis — LCA») любого потребляемого человеком продукта или изделия в современном виде заключается в количественной оценке использованных для производства продукции энергии и материалов, а также выбросов в окружающую среду. Как правило, выделяют следующие основные стадии жизненного цикла изделия (ЖЦИ):

1. Получение сырья: добыча источника энергии и его переработка в энергиюдобыча сырьятранспортировка сырья и энергии.

2. Производство продукции: подготовка сырьяизготовление продукциипроизводство попутной продукциипроизводственный рециклингупаковкатранспортировка продукции.

3. Использование продукции (сфера потребления).

4. Глобальный рециклинг.

Для всех стадий рассчитывают расходы энергии, материалов, транспортные издержки, выбросы в окружающую среду. Итог расчета «жизненного цикла» изделия представляют в виде экологического баланса — «экобаланса».

В конце 20 века была предложена концепция производства «металлургического экопродукта» с учетом всех стадий ЖЦИ и разработаны принципы Комплексной поли гики в отношении продукции (Integrated Product Policy), которая должна была установить окончательные экологические стандарты изделий с учетом ЖЦИ.

Оригинальная методика составления экобаланса «cradle to gate» для изделий, произведенных на интегрированных металлургических предприятиях, предложена германскими специалистами Ю. А. Филиппом, В. Теобальдом, В. Фолькхаузеном в 1997 году. Она базируется на составлении и оптимизации сценариев производства и эксплуатации металлургического «экопродукта». В течение нескольких лет авторами были исследованы жизненные циклы изделий из листового проката, используемых в автомобильной промышленности. Экобаланс охватывал 14 технологических этапов от добычи сырых материалов до рециклинга в виде лома. В расчетах были использованы около 1000 исходных данных и параметров. Учитывалось влияние 13 видов входных материалов, шести потоков энергии, определено 29 типов выбросов и девять видов отходов, утилизируемых или отгружаемых в отвал. Описанная методология получила признание и развитие в ЕС и Японии.

В Японии метод составления экобалансов для металлургической продукции получил название «оценки жизненного цикла на основе анализа экологических сценариев». После принятия в 2000 году парламентом Японии шести законов, направленных на построение экономической системы, ориентированной на рециркуляцию, были нормированы методы утилизации строительных, пищевых, упаковочных, 4-х видов электробытовых вторичных материалов и автомобилей. Таким образом, лом черных металлов, который ранее рассматривался как естественно возникающий материал, после 2000 года стал заботой общества, с которой следует обращаться, опираясь на соответствующую законодательную базу.

С позиции составления экобаланса для продукта черной металлургии в настоящее время принято выделять четыре основных стадии анализа. Первая стадия включает в себя собственно процесс производства черных металлов. Здесь отрабатывается производственный процесс с минимальным энергопотреблением и нагрузкой на окружающую среду. Вторая стадия включает производственный процесс на предприятии-потребителе продукции черной металлургии. Здесь рассматривается возможность уменьшения воздействия на окружающую среду за счёт применения специфических видов металлопродукции и металлообработки. На третьей стадии экологическая направленность проявляется в использовании конечных изделий из черных металлов с определенными качественными характеристиками. Четвертая стадия — этап утилизации лома черных ¿-металлов с целью их вторичного использования.

На второй * и последующих стадиях металлопродукция превращается в «экопродукт», то есть экологически ориентированный продукт или изделие. Реализация концепции экопродукта имеет следующие цели: ф ормирование общества с оборотным использованием ресурсовограничение выбросов всех видовснижение энергопотребления.

Жизненный цикл стального изделия начинается с добычи сырья и получения материала с заданными эксплуатационными характеристиками и продолжается различными этапами службы изделия, включая многочисленные стадии рециклинга.

Интегрированный" (через предприятия полного цикла) и «электросталеплавильный» (через мини — заводы) технологические маршруты представляют собой два дополняющих друг друга элемента стратегии производства и утилизации стали. В любой технологии рециклинга металлолома происходит замещение сырьевых материалов, используемых при «интегрированном» маршруте.

В условиях существующего в настоящее время, относительно слабо регулируемого государством рынка металлоизделий, разделение технологических маршрутов для производства плоского и длинномерного проката осуществляется с учетом экономических факторов и практически не оказывает влияния на общий уровень рециклинга стальных изделий. При составлении глобальных прогнозов развития отрасли необходимо учитывать, что стальные изделия эксплуатируются в сфере потребления разное время: кратко-, средне-и долгосрочные периоды. При этом жизненный цикл продукта может составлять срок менее года или более ста лет, если речь идет, например, о консервных банках или стальных конструкциях. В зависимости от длительности ЖЦИ и параметров рециклинга требуется различное количество первичной «сырой» стали, чтобы обеспечить рост рынка и компенсировать потери после использования изделий.,.

В последнее десятилетие во всех передовых индустриальных странах проводились исследования, но анализу влияния этапа эксплуатации изделия на затраты природных и вторичных ресурсов и размеры выбросов в окружающую среду. Полученные результаты позволяют утверждать, что упомянутые параметры, рассчитанные на весь жизненный цикл, в значительной степени определяются способом эксплуатации изделия. При «статическом» использовании металлоизделия (например, в качестве строительного материала в конструкциях) они зависят, прежде всего, от технологии производства стали. В тоже время при использовании металла в изделиях, эксплуатируемых относительно короткое время (например, в автомобилях), определяющей становится технология рециклинга.

Еще одной важнейшей проблемой, с которой сталкивав! ся современная металлургия, является проблема присутствия в амортизационном ломе примесных микроэлементовпримесей. Последними исследованиями установлена сложная взаимосвязь между количеством микропримесей в металлоломе, уровнем образования амортизационного лома и жизненным циклом металлоизделий. Многие специалисты считают, что в связи с повышением требований к потребительским свойствам стальной металлопродукции уже в ближайшем будущем потребуется ограничение содержания определенных сопутствующих элементов в ряде изделий особого назначения.

Таким образом, повышение роли вторичных ресурсов и увеличение масштабов использования в качестве сырья материалов из техногенных месторождений, требует системного подхода. Он необходим для того, чтобы «встроить» потоки этих материалов в уже существующие технологические схемы, не допуская при этом их значительного усложнения и ухудшения качества продукции.

Актуальность проблемы обуславливается необходимостью создания методики и инструментальных средств, обеспечивающих управление вторичными ресурсами железа посредствам моделирования и оптимизации сложного производственного процесса рециклинга железа в техносфере.

Наступившее тысячелетие в передовых индустриальных странах мира окончательно утвердило глобальный подход к оценке эффективности использования и управления вторичными ресурсами, согласно которому организация глобального рециклинга и управление движением вторичных ресурсов металлов является основополагающим фактором построения индустриального общества нового типа — «общества рециклинга».

Проблемой низкой эффективности управления вторичными ресурсами является отсутствие критериев управления рециклингом и принципов оптимизации использования природных и вторичных ресурсов, которые могут обеспечить грамотное перспективное развитие всего мехаллургического комплекса как отдельных регионов и стран, так и мировой металлургической индустрии в целом.

Основные трудности, возникающие при определении эффективности управления вторичными ресурсами, связаны с наличием нескольких критериев оценки качества рециклинга.

Для решения поставленной задачи разработан гибкий алгоритм для преодоления трудностей, связанных с многокритериальной функцией качества, основанный как на получении информации о предпочтениях эксперта посредством диалога, так и на использовании стандартных настроек системы, в случае отсутствия необходимой подготовки эксперта. Оценка полученного решения производится согласно субъективному представлению эксперта (ЛПР) о качестве решения, описываемом значениями локальных критериев.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование комплексной модели использования природных, вторичных и техногенных ресурсов металлов, позволяющей прогнозировать экологические сценарии устойчивого развития металлургической индустрии. Разработка диалогового алгоритма и создание на его основе диалоговой системы для решения задачи многокритериальной оптимизации технологического процесса глобального рециклинга железа, ч го обеспечит снижение объема использования природных ресурсов металлов и улучшение экологической ситуации. Система позволит использовать различные управляющие воздействия и изменять диапазоны их значений, применять ограничения на отдельные показатели, варьировать важностью критериев эффективности в зависимости от задач, стоящих перед экспертом.

Задачи исследования. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи исследования:

— выявление проблематики, связанной с методикой анализа использования природных, вторичных и техногенных ресурсов металлов;

— разработка и исследование модели рециклинга железа в техносфере на основе подходов, используемых в системном анализе;

— описание подхода и разработка диалогового алгоритма для решения задачи многокритериальной оптимизации технологического процесса рециклинга;

— создание диалоговой системы компьютерного моделирования и многокритериальной оптимизации технологического процесса рециклинга железа;

— проведение вычислительных экспериментов, получение новых научных и технических результатов для регулирования процесса рециклинга.

Методы исследования. В работе использован метод имитационного моделирования для построения модели рециклинга железа. Исследования выполнены на основе методов системного анализа и принятия решений в условиях многокритериальное&trade-. При создании программного комплекса использовались методы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна.

— разработана имитационная модель рециклинга железа в техносфере, обладающая комплексностью и универсальность, что позволяет проводить расчет практически для любых экономических и географических условий (для областей, регионов, страны, группы стран);

— сформулирована и решена задача настройки параметров рециклинга в виде многокритериальной задачи, на основе которой разработан алгоритм и спроектирована структура программного комплекса оптимизации;

— программная реализация системы оптимизации выполнена в виде гибкой диалоговой системы, позволяющей использовать се ЛПР разной квалификации;

— решена задача оптимизации параметров рециклинга, что позволит обеспечить необходимый уровень потребления металлопродукции на душу населения при соблюдении качественных характеристик железа.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная имитационная модель рециклинга используется при преподавании мультимедийного учебного курса «Рециклинг» студентам «Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» (УрФУ). Диалоговая система моделирования и оптимизации успешно используется предприятиями, входящими в состав Комиссии по металлургическому и горному комплексу Российского Союза Промышленников и Предпринимателей, а также.

ЗАО «Экологическим институтом» Международной академии наук экологии, для анализа тенденций развития рынка вторичных ресурсов черных металлов и решения задачи долговременного прогноза образования и потребления вторичных ресурсов железа в металлургических регионах и в стране в целом.

Достоверность. Для' оценки корректности разработанной модели рециклинга вторичных ресурсов железа были выполнены расчеты параметров движения железа в экономике Японии в период 1958 — 2008 годов. Выбор объекта исследований обусловлен наличием необходимой официальной информации об объемах производства и потребления стальной продукции в этой стране, а также тем обстоятельством, что именно для условий Японии была построена методика оценки вторичных ресурсов черной металлургии аналогичная разработанной. Применение имитационной модели рециклинга к условиям черной металлургии Японии позволило проследить изменение состава металлофонда страны и структуры образующегося амортизационного лома за период 1958 — 2008 гг. Япония относится к странам, которые уже прошли максимум в развитии производственных мощностей черной металлургии ориентированных на использование природных ресурсов. Накопленный металлофонд железа позволяет этой стране перейти на модель черной металлургии, ориентированную на вторичные ресурсы железа (даже при сохранении высокого уровня экспорта металлопродукции и металлолома). Результаты исследований очень хорошо корреспондируются с данными официальной статистики и оценками специалистов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— Школе — конференции: «Новые тенденции рационального использования вторичных ресурсов и проблемы экологии», «Металл-Экспо», Москва, 2009 год;

Международной конференции с элементами научной школы для молодежи: «Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТЭС и пути их решения», «Металл-Экспо», Москва, 8−13 ноября 2010 год;

— Конференции «Ломоносовские чтения», МГУ, декабрь 2010 год;

— семинарах на кафедре автоматизированных систем управления ФГОУ ВПН «Национального исследовательского технологического университета МИСиС».

Модель зарегистрирована в качестве НОУ-ХАУ МИСиС № 3−202−2009 ОИС от 10 февраля 2009 года. Наименование ноу-хау: Методология анализа техногенного элементопотока металлов.

Модель стала лауреатом конкурса на 12-ом Всероссийском форуме «Образовательная среда-2010».

ВЫВОДЫ К РАБОТЕ.

В диссертации предложены, успешно апробированы методика, математическое и программное обеспечение системы моделирования и многокритериальной оптимизации процесса глобального рециклинга. Система предназначена для решения задачи государственного управления движением вторичных ресурсов металлов и последующей оптимизации рециклинга, что позволяет улучшить экологическую нагрузку на окружающую среду, не ухудшая качества получаемой продукции. Получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Реализован подход к описанию жизненного цикла железной металлопродукции:

— стальные изделия, поступающие в сферу потребления, подразделяются на группы в зависимости от длительности периода эксплуатации (как правило — три группы, соответствующие кратко-, среднеи долгосрочному временному интервалу);

— поток железосодержащих материалов характеризуется коэффициентами и функциями, описывающими распространение железа в природной среде, накопление в техногенных месторождениях, фондах и других элементах техносферы;

— оборотный лом предприятий и отходы металлообработки рассматриваются как вторичные материалы, образующиеся в один год с производством металлопродукции, амортизационный лом образуется спустя несколько лет или несколько десятков лет после производства и использования металлопродукции в готовых изделиях;

— количество амортизационного лома, которое образуется в экономике в некотором году, рассчитывается на основе данных производства за предшествующие годы и показателей эксплуатационной долговечности изделий.

2. Задача настройки параметров рециклинга сформулирована как задача многокритериальной оптимизации и принятия решения. Предложен’подход, позволяющий преодолеть многокритериальность задачи путем использования информации о предпочтениях эксперта. Реализована оптимизационная задача определения альтернативы, при которой:

— достигается определенный уровень потребления железной продукции по конкретным сферам потребления;

— достигается приемлемый для эксперта уровень минимальных затрат природных ресурсов и выбросов в окружающую среду при максимальной доле использования вторичных ресурсов железа и не превышающим нормы накоплением примесных микроэлементов.

3. Реализована расчетная задача государственного регулирования рециклингом, при которой, управляющим воздействием на систему рециклинга являются государственные законы, акты и нормативы, способные регулировать:

— распределение металлолома по маршрутам производства;

— длительность пребывания металлопродукции в различных сегментах сферы потребления;

— распределение металлопродукции между различными сегментами сферы потребления;

— уровень сбора металлолома;

— наличие экспорта или импорта металлопродукции;

— использование ресурсов депонирования.

4. Созданы диалоговые алгоритмы для решения задачи моделирования и последующей многокритериальной оптимизации процесса рециклинга.

5. Сформулированы требования к диалоговой системе, разработана ее структура и реализован программный комплекс, способный:

— моделировать процесс рециклинга в режиме диалога с пользователем;

— производить оптимизацию параметров рециклинга в режиме диалога с пользователем.

6. Система успешно апробирована для управления движением железа при производстве и потреблении продукции черной металлургии в условиях Японии. Использование системы позволило существенно снизить использование природных ресурсов и выбросов в окружающую среду.