Имитационная модель рециклинга вторичных ресурсов черных металлов

Имитационная модель рециклинга вторичных ресурсов черных металлов


 

В 2004 г. лидеры стран «Группы восьми» поддержали выдвинутую правительством Японии «Инициативу 3R» (Японский план действий по развитию мирового сообщества).

  • Дополнительная информация


    • Авторы:Черноусов П.И., Коротченко А.С., Голубев О.В.
    • Организация:НИТУ «МИСиС»

В соответствии с принятой декларацией поддержка инициатив и мероприятий в сфере 3R является основополагающим условием построения в XXI веке «Общества рециклинга». Особенно важно отметить, что «Инициатива 3R» выделяет конкретные сферы государственного управления вторичными ресурсами и рекомендует, опробованные на практике, принципы: «социальной ответственности производителей», «социальных техногенных ресурсов», «превентивного предотвращения экологических рисков» [1…6].

Принцип «Социальной ответственности производителей» заключается в аттестации предприятий с целью предоставления им льгот в снабжении или кредитовании приобретения вторичных ресурсов. Важнейшей составляющей аттестации предприятий является представление ими концепции управления потоками вторичных материалов (производственного рециклинга). По существу в индустриально развитых странах в последние годы сформулирована новая парадигма черной металлургии. В ее основе – интенсификация использования вторичных ресурсов, минимизация выбросов всех видов, повышение степени извлечения железа в готовую продукцию как главный критерий увеличения материального и энергетического КПД в черной металлургии [5…7].

Ориентация на эффективное использование вторичных материалов, в том числе долгое время складируемых и хранящихся как отходы, потребовала от предприятий системного подхода в использовании природных и вторичных ресурсов. Системный подход необходим для того, чтобы «встроить» потоки техногенных материалов в уже существующие технологические схемы, не допуская при этом их значительного усложнения и ухудшения качества продукции. При этом металлургические предприятия руководствуются различными концепциями [8, 9].

Принцип «Социальных техногенных ресурсов» («качество вторичных ресурсов – забота общества») предусматривает законодательно регулируемый срок эксплуатации металлоизделий, прежде всего, продуктов, определяющих уровень жизни (товаров народного потребления). Поэтому амортизационный металлолом, который ранее использовался как «естественно возникающий материал», теперь рассматривается в качестве вторичного ресурса, с которым следует обращаться, опираясь на соответствующую законодательную базу. Качество и оптимальный срок эксплуатации металлоизделий, обращение с отходами, сбор и обращение с вторичными ресурсами металлов и материалов в рамках современных концепций экологически чистого производства (ЭЧП) рассматриваются в качестве «социальных параметров», на которые можно эффективно влиять с помощью целенаправленного изменения законодательства и повышения уровня экологического образования [10, 11].

Принцип «Превентивного предотвращения экологических рисков, которые могут возникнуть в будущем» начал реализовываться с принятием в 2007 г. Директивы REACH (Контроль движения потенциально опасных веществ). Для регистрации продукта в рамках REACH заявителю необходимо пройти идентификацию продукта не только на его состав, наличие примесей, тоннаж, но и последующее применение. Это требует получения от потребителя продукта подтверждения на его дальнейшее использование. Таким образом, заявитель должен иметь «экологический сценарий» производства, применения, рециклинга или безопасного депонирования продукта после завершения срока его эксплуатации [12…14].

В ЕС и Японии в последнее десятилетие активно проводили исследования в области методологии вторичных ресурсов металлов. Приведем две характерные цитаты, отражающие сущность разрабатываемых комплексных методик.

«Рециклинг амортизационного лома означает гарантированное снабжение сырьем и щадящее использование природных ресурсов. Сталь как материал имеет большие экологические преимущества. Новая концепция черной металлургии будет заключаться в следующем: целесообразно повышать долю стали в изделиях, масса которых не оказывает существенного влияния на затраты энергии и выбросы (например, стационарная электротехника, конструкции). Это обеспечит высокую долю рециклинга. Но при этом необходим соответствующий «социальный фон», потому что качество и уровень сбора (освоения) амортизационного лома — «забота общества». Она проявляется в совершенстве законодательства и уровне экологического образования» [10].

«В основе экономической стратегии развития черной металлургии в обществе рециклинга располагаются опыт и информация, накопленные за прошедшее столетие. К неотложным вопросам, требующим решения, относятся следующие. Необходимо проведение исследований связанных с примесями. Необходим корректный прогноз развития металлургии, связанный с возможностями работы с амортизационным металлоломом. Но главное – в обществе рециклинга требуется осознание социальной ответственности, базирующееся на непрерывном экологическом образовании, и жесткое выполнение законов» [6].

Таким образом, особое внимание металлолому, как перспективному вторичному сырью, стали уделять на рубеже 21 века. Фундаментальные исследования в области оптимизации использования вторичных ресурсов ведутся в последние годы в Японии, Германии, Франции. Ретропрогнозы формирования металлофонда показывают, что потребление стали в определяющей степени зависит от состояния базовых отраслей экономики. По-существу, уровень экономического развития является синонимом потребления стали [15…19].

В США, Японии, индустриально развитых странах ЕС с экономикой, ориентированной на экспорт, потребление стали «выходит на насыщение» или даже снижается. В Китае, Бразилии, Индии в настоящее время наступает «второй этап развития», на котором происходит рост национального богатства, что стимулирует развитие черной металлургии. Это критический период роста промышленности и урбанизации, когда потребление стали обычно возрастает до 500-600 кг на душу населения. Поэтому объёмы производства стали наращиваются (увеличивая общемировые показатели) именно в развивающихся странах с молодой растущей экономикой. Таким образом, на современном этапе развития черной металлургии имеют место различные национальные, региональные и прочие модели производства и потребления стальных изделий. Оптимизация потребления ресурсов, и особенно вторичных ресурсов, железа превращается в сложную многофакторную научную задачу [19, 20].

Сложные эконометрические модели интенсивности образования металлолома и сроков службы потребительской и промышленной стальной продукции были разработаны в Японии (Tetsugenkyokai) и во Франции (Usinor). Во многих работах отмечается [15…23], что для стальных изделий возможности оптимизации стадии жизненного цикла «изготовление продукта» незначительны, поскольку достигнутые технологические параметры близки к предельным значениям. Поэтому определяющий вклад в улучшение экобалансов для стальных продуктов может быть сделан на стадиях эксплуатации и рециклинга. На стадии эксплуатации актуальными направлениями исследований являются: разработка продуктов и деталей с оптимизацией по массе, содержанию примесей и оптимальным сроком службы, на стадии рециклинга – разработка технологий повторного использования деталей и конструкций, селективный сбор лома сложного состава, экологически безопасная переработка мелкодисперсных отходов, заготовка и подготовка металлолома к плавке.

Из вышеизложенного следует, что грамотный прогноз количества образования и структуры амортизационного металлолома становится существенным определяющим фактором в формирующейся системе государственного регулирования потребления вторичных ресурсов железа. Подобный прогноз, как показывают результаты последних исследований, не может опираться на привычные параметры «норма сбора лома» и «средний срок эксплуатации стальных изделий». Он должен строиться исходя из современной методологии исследований, которую активно разрабатывают в передовых индустриально развитых странах. Этим требованиям соответствует «Методика определения параметров элементопотоков металлов в техносфере» [24, 25]. Методика базируется на принципе оптимизации сценариев производства и эксплуатации металлургического экопродукта и реализована в виде математического описания «Рециклинг – имитационная модель». При выполнении расчетов и составлении прогнозов стальные изделия, находящиеся в сфере потребления, подразделяются на группы в зависимости от длительности периода эксплуатации (как правило – три группы, соответствующие кратко-, средне- и долгосрочному временному интервалу – рис. 1).

Каждый поток характеризуется коэффициентами и функциями, описывающими распространение железа и примесных элементов в природную среду, накопление в техногенных месторождениях, фондах и других элементах техносферы, в зависимости от длительности рассматриваемого сценария и исходного (накопленного) количества железа в сфере потребления (металлофонде). 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, с использованием модели баланса популяции.

Имитационная модель рециклинга

Рисунок 1 – Имитационная модель рециклинга

Расчетной (оптимизационной) задачей является определение «сценария», при котором достигается определенный уровень потребления стальной (железной) продукции по конкретным сферам потребления при минимальных затратах природных ресурсов, выбросах, уровне накопления примесных микроэлементов в процессе рециклинга и максимальной доле использования вторичных ресурсов железа. К управляющим воздействиям относятся: распределение металлолома по маршрутам (конверторному или электросталеплавильному), 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, степень перехода железа в готовую продукцию по конверторному и электросталеплавильному маршрутам.

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.

Основные результаты расчетов представлены на рисунках 2, 3, 4. На рисунке 2 показано изменение объема и структуры металлофонда железа Японии. Результаты очень хорошо корреспондируются с данными официальной статистики и оценками специалистов [6, 21…23].

Изменение объема и структуры металлофонда железа Японии в период 1958-2008 гг.
Рисунок 2 – Изменение объема и структуры металлофонда железа Японии в период 1958-2008 гг.

Обращает на себя внимание характерный вид кривой общего количества железа в металлофонде индустриально развитой страны. Как указывалось выше, 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) [15…20].

Следует отметить особенность кривых, иллюстрирующих изменение отдельных составляющих металлофонда. Максимальный объем металлофонда изделий краткосрочного потребления, то есть товаров обеспечивающих быт, был достигнут к началу 1980-х годов, максимум для продукции среднесрочного потребления (оборудования, приборов, легкодемонтируемых конструкций и т.п.) приходится на конец 1980-х годов, и, наконец, максимальное насыщение долгосрочной сферы (капитальное строительство и инфраструктура) отмечается в начале 1990-х годов. Подобное изменение структуры металлофонда характерно для всех стран Запада, долгое время ориентировавшихся в своем развитии на модель общества потребления.

Данные, приведенные на рис. 3, наглядно демонстрируют, что главной составляющей в потерях железа вплоть до настоящего времени, остаются потери, связанные с обращением с вторичными ресурсами железа. Лишь после принятия в 2000 г. соответствующих мер по принципиальному изменению структуры потребления ресурсов металлов в рамках построения Общества рециклинга, наметилась тенденция к уменьшению потерь металла, снижению выбросов в окружающую среду и уменьшению масштабов накопления железа в составе техногенных месторождений.

Потери железа на основных стадиях производства и потребления продукции и обращения с вторичными ресурсами
Рисунок 3 – Потери железа на основных стадиях производства и потребления продукции и обращения с вторичными ресурсами

Данные рис. 4 показывают, что в структуре потребления амортизационного лома прослеживаются ярко выраженные временные периоды. На первом этапе наращивания производства металлопродукции, примерно в течение 10 лет (1958-1970 гг.), доля всех видов амортизационного лома, используемого в качестве вторичных ресурсов примерно одинакова, затем наблюдается период интенсивного роста потребления металлолома изделий, покинувших кратко- и среднесрочную сферу потребления металлопродукции, который завершается стадией относительной стабилизации. Начиная с 1980-х годов наблюдается стабилизация потребления вторичных ресурсов металлолома изделий из краткосрочной сферы потребления (на уровне 10-12 млн. т/год), затем, со второй половины 1980-х годов имеет место стабильный уровень использования вторичных ресурсов железа среднесрочной сферы потребления (на уровне 25-30 млн. т/год). В это же время, с 1985 по 2000 год, отмечается рост потребления амортизационного лома изделий из долгосрочной сферы потребления (с 5 до 20 млн. т/год).

Изменение структуры потребления железа амортизационного металлолома в экономике Японии в период 1958-2007 гг.
Рисунок 4 – Изменение структуры потребления железа амортизационного металлолома в экономике Японии в период 1958-2007 гг.

Выполненные исследования по адаптации и тестированию разработанного математического описания движения железа при производстве и потреблении продукции черной металлургии в условиях Японии позволяют произвести расчеты по оптимизации сценариев возможного развития отрасли. В качестве критериев оптимизации были выбраны:

  • Минимальные затраты природных ресурсов железа;
  • Минимальные выбросы в окружающую среду;
  • Максимальное использование вторичных ресурсов железа (амортизационного лома).
  • Рассматривались стабильные условия функционирования производственных мощностей, обеспечивающих ежегодное производство металлопродукции 120 млн.т/год в период 2011-2040 гг. Диапазон изменения параметров:
  • Доля амортизационного лома, направляемого на переработку в электросталеплавильный маршрут, βЭ: 60–90 %;
  • Длительность пребывания изделий в сферах эксплуатации:
    • краткосрочной: 2-5 лет;
    • среднесрочной: 5-15 лет;
    • долгосрочной: 20-40 лет.
  • Потери при сборе амортизационного лома: 5–40 %.
  • Экспорт металлопродукции: до 42 млн. т/год
  • Импорт металлопродукции: до 5 млн. т/год
  • Экспорт металлолома: до 10 млн. т/год
  • Использование ресурсов депонирования (железо из ранее сформированных техногенных месторождений): до 3 млн.т/год.

Для всех лучших сценариев:

  1. Потери при сборе амортизационного металлолома составляют 5 % (минимально возможные);
  2. Срок эксплуатации изделий в долгосрочной сфере потребления – 20 лет;
  3. Потребление ресурсов депонирования - 3 млн. тонн/год – максимальное.

* – фактор накопления примесей показывает во сколько раз за время сценария может потенциально возрасти количество нежелательных примесей (меди, хрома, никеля, олова и молибдена) в жидкой стали.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

  • Оптимизация по критериям минимальных затрат природных ресурсов и потерь железа и максимальных затрат вторичных ресурсов не дает однозначно лучшего варианта решения задачи.
  • Наименьшие затраты природных ресурсов имеют место в случае максимально возможной загрузки электросталеплавильных мощностей для переработки амортизационного лома. При этом импорт металлолома обеспечивает лучшие показатели по расходу природных ресурсов, но при отсутствии импорта лома и максимальном сроке эксплуатации

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

Черноусов П. И.

Опубликовано Черноусов П. И.

Адрес электронной почты: p.chernou@yandex.ru
  • Образование: Московский институт стали и сплавов, «Металлургия черных металлов»
  • Ученая степень: кандидат технических наук, доцент
  • Место работы, должность: доцент кафедры ЭРЧМ, директор музея истории НИТУ «МИСиС»

Оставь комментарий