CC BY
67
УДК 621.357:66.012.2.004
Е.С. Лиманская (Научный руководитель Б.В. Ермоленко)
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 e-mail: lena-limanskaja@rambler.ru
ФОРМАЛИЗОВАННЫЕ ПОДХОДЫ К СИСТЕМНОМУ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Сформулированы подходы к системному эколого-экономическому проектированию гальванических производств с применением моделей и методов линейного программирования для оптимизации проектных решений. Предложены математические модели, позволяющие осуществлять совместное проектирование производственной и средозащитной подсистем гальванических производств с учетом их взаимного влияния на технические, экономические и экологические показатели проекта в целом.
Ключевые слова: гальваническое производство; математическое моделирование; линейное программирование; эколого-экономическое проектирование; оптимизация проектных решений.
Гальваническое производство как активный потребитель ценных природных ресурсов и источник негативного воздействия на окружающую среду. Гальваническое производство предназначено для нанесения различных покрытий на электропроводящие и неэлектропроводящие материалы для придания им определенных специальных, декоративных или защитных свойств. Нанесение подобных покрытий необходимо большому количеству изделий, а потому ввиду их повсеместного использования, данный процесс входит в производственный цикл предприятий
машиностроительной, электротехнической
химической, и многих других отраслей промышленности. По оценке специалистов, в Российской Федерации в настоящее время существует около 7000 различных производств электрохимического профиля, потребляющих не менее 70% меди, 50% цинка, 15% никеля и значительное количество достаточно дорогих и экологически опасных химических реактивов. Гальваническое производство является одним из крупнейших потребителей воды, а его сточные воды, содержащие вредные примеси тяжелых металлов, неорганических кислот и щелочей, поверхностно-активных веществ и других высокотоксичных соединений, - одними из самых токсичных и вредных. В зависимости от концентраций веществ стоки гальванического производства могут быть трех типов:
1 тип. Отработанные технологические растворы (наиболее концентрированные стоки)- в состав могут входить компоненты исходного технологического раствора, ионы
обрабатываемых материалов, продукты химических реакций, протекающих между веществами, содержащимися в растворе.
2 тип. Воды ванн улавливания (с концентрацией веществ ниже, чем в технологическом растворе) - состав аналогичен составу технологических растворов.
3 тип. Промывные сточные воды (наименьшие концентрации веществ) - состав аналогичен составу технологических растворов.
Применяемые в основных технологических процессах электролиты и технологические растворы содержат вещества, обладающие токсическим, канцерогенным (Л8, Бе, 2п, Р< Сг, Ве, РЬ, И§, Со, N1, Л§, Р1), мутагенным (2пБ), тератогенным (С< РЬ, Л8, Со, Л1 и Ы) и аллергенным (соединения Сг6+) эффектами и попадающие, в конечном итоге, в
производственные сточные воды и образующие в процессе их очистки и нейтрализации твердые отходы - гальванические шламы.
Имеющиеся статистические данные свидетельствуют, что из более 20 млн. тонн неутилизируемых промышленных отходов с высоким уровнем токсичности, которые образовывались в последние годы прошлого века, 0,75 млн. тонн в год приходилось на гальваношламы. «Временный классификатор токсичных промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов» (утвержденные Минздравом СССР совместно с ГКНТ СССР 18.05.87 № 4286-87) и ГОСТ 12. 1 000-76 относят такие отходы к I - V классам опасности. Основу гальванических шламов составляют осажденные в малорастворимой форме тяжелые металлы: медь, никель, хром, цинк, кадмий, свинец, железо в количестве от 14 до 30 % от массы сухого шлама. При существующей организации процессов очистки сточных вод большинство гальваношламов являются смешанными, что приводит к высокому
классу опасности большинства образующихся в гальванических цехах отходов, отсутствию эффективных способов их переработки и извлечения полезных компонентов, а также экологически безопасных методов их размещения. В соответствии с действующим СанПиН 3183-84, для захоронения гальваношламов необходимы специализированные полигоны, исключающие попадание ионов тяжелых металлов в окружающую среду. Таких полигонов в Российской Федерации не хватает, возможность размещения высокотоксичных отходов на своей территории у подавляющего большинства предприятий полностью исчерпана.
Основной набор электролитов и технологических растворов можно считать практически сложившимся, и в ближайшее время вряд ли следует ожидать радикальных изменений их состава, которые привели бы к резкому улучшению технико-экономических и эколого-экономических показателей создания и функционирования гальванических производств.
Состав электролитов и технологических растворов и особенности организации производства обуславливают высокий уровень ресурсопотребления и экологической опасности электрохимических процессов для окружающей среды.
Основные эколого-экономические проблемы современного гальванического производства. К
числу основных наиболее острых проблем гальванических производств, обусловленных, в первую очередь, раздельным несистемным проектированием производственно-
технологической и средозащитной подсистем, можно отнести проблемы:
(1) сложности состава, высокой токсичности и большого объема образующихся сточных вод;
(2) образования значительного количества смешанных высокотоксичных плохо утилизируемых отходов;
(3) высокого уровня безвозвратного потребления ценных цветных металлов;
(4) большого неэффективного расхода пресной воды на технологические цели;
(5) высокого уровня требуемых инвестиций в строительство гальванических производств, связанного с превалирующей долей значительных капитальных вложений в систему очистки сточных вод.
Существующие неформализованные подходы к системному проектированию гальванического производства. С учетом несомненного влияния выбора технологии нанесения покрытий на проектирование системы очистки сточных вод и на другие перечисленные выше проблемы В. С. Виноградовым в докторской диссертации «Разработка принципов создания экологически безопасного гальванического производства»
сформулирована задача комплексного подхода к проектированию гальванических производства. При использовании системного подхода к числу наиболее крупных подсистем гальванического производства, в рамках которых должны решаться задачи минимизации негативного воздействия, относятся:
- производственно-технологическая подсистема, обеспечивающая процесс нанесения покрытий;
- подсистема очистки образующихся сточных вод;
- тесно связанная с ними подсистема оборотного водоснабжения гальванических цехов;
- подсистема рекуперации и локальной утилизации отработанных концентрированных растворов и
- подсистема обращения с токсичными отходами гальванического производства.
В работе рассмотрены связи различных технологических решений с выбором места, методов и аппаратурного оформления системы очистки сточных вод и других средозащитных подсистем. Предложено с учетом этих связей формировать несколько доступных вариантов создания гальванического производства как системы взаимосвязанных подсистем с единой целью функционирования с последующим выбором наиболее эффективного с эколого-экономической точки зрения проектного решения. Сложность взаимосвязей и многообразие технологических и средозащитных решений не позволит проектировщикам рассмотреть достаточно большое число вариантов, а, следовательно, окончательное решение будет далеко от оптимального.
Базой для системного проектирования гальванического производства может служить укрупненная структурная схема многовариантной процессно-потоковой организации
гальванического производства (рис 1).
Учитывая огромное количество вариантов допустимых технических решений в каждой из проектируемых подсистем, поиск наиболее эффективного из них вряд ли окажется удачным без разработки формализованного проблемно-ориентированного математического описания производственно - хозяйственной системы гальванического производства и постановки задачи эколого-экономической оптимизации проектных решений.
Постановка задачи оптимального эколого-экономического проектирования гальванического производства. Основную задачу системной эколого-экономической оптимизации проекта строительства
гальванического производства можно
сформулировать следующим образом:
На -4=
Рис. 1. Укрупненная структурная схема многовариантной процессно-потоковой организации
гальванического производства
При заданных ограничениях на:
- ассортимент и объемы изготавливаемой продукции (гальванических покрытий);
- требования к ее качеству;
- потенциально используемые технологии для производства конкретных видов продукции (гальванических покрытий);
- возможности приобретения различных видов технологического оборудования для реализации основных и вспомогательных технологических процессов;
- время использование приобретаемого оборудования для реализации основных и вспомогательных технологических процессов;
- возможности использования различных электролитов и химикатов для реализации основных и вспомогательных технологических процессов;
- количество цветных металлов, поставляемых для нанесения гальванических покрытий;
- объемы поставок химикатов для формирования электролитов и технологических растворов;
- объемы водопотребления для ведения производственных процессов;
- объемы потребления электрической и тепловой энергии;
-условия, возможные методы очистки загрязненных сточных вод и аппаратурное оформление систем водоочистки;
- условия, возможные методы очистки отходящих газов и аппаратурное оформление систем газоочистки;
-условия, возможные методы рекуперации отработанных технологических растворов и аппаратурное оформление систем рекуперации;
- условия, возможные методы извлечения полезных компонентов из гальванических шламов для последующей их утилизации и аппаратурное оформление систем извлечения;
- качество отводимых сточных вод после их очистки;
- качество атмосферного воздуха после выброса отходящих газов в атмосферу;
- качество химикатов, рекуперируемых из технологических растворов;
- качество полезных компонентов, извлекаемых из гальванических шламов;
- использование выделяемых под строительство объекта земельных ресурсов,
- объемы инвестируемых собственных и заемных финансовых средств;
- сроки окупаемости инвестиций и
- другие показатели
найти (выбрать):
- виды и количество наносимых гальванических покрытий;
- виды и количество извлекаемых из гальванических шламов полезных компонентов, передаваемых для дальнейшей утилизации;
- технологии производства конкретных видов гальванопродукции;
- рабочую схему процессно-потоковой организации проектируемого гальванического производства;
- виды, количество и мощность основного и вспомогательного технологического оборудования;
- виды анодов и состав электролитов, необходимых для реализации технологических процессов;
- места установки, методы очистки, количество и мощность оборудования, предназначенного для очистки различных видов сточных вод;
- места установки, методы очистки, количество и мощность оборудования, предназначенного для очистки отходящих газов,
- места установки, методы очистки, количество и мощность оборудования, предназначенного для рекуперации технологических растворов;
- места установки, методы очистки, количество и мощность оборудования, предназначенного для извлечения полезных компонентов из гальванических шламов;
- потребность в цветных металлах и химикатах для осуществления основных и вспомогательных производственных процессов;
- потребность в воде основных и вспомогательных производственных и хозяйственных процессов;
- потребность в электрической и тепловой энергии для осуществления основных и вспомогательных производственных и хозяйственных процессов;
- прогнозируемый уровень негативного воздействия на окружающую среду;
- типы и размеры производственных зданий;
- направления, источники и объемы инвестируемых средств;
- уровень доходов и операционных затрат;
- проектный срок окупаемости инвестиций,
обеспечивающие
достижение максимума интегрального эффекта (чистого дисконтированного дохода) при заданной инвестором норме дисконта.
Формализованная постановка задачи оптимального проектирования .
Разрабатываемая для решения сформулированной выше задачи эколого-экономической оптимизации проектных решений экономико-математическая модель является моделью частично-
целочисленного линейного программирования. Модель состоит из системы ограничений Q
A (Х,Х, Х) = a
и функционала Р
р = ЧДД (Х,Х,1)= Т ^(Х.ХХ) - с, (Х,Ц) - кД.Ц)
~ Ь> (1 + Е)1 '
являющихся линейной функцией действительных
X, бинарных X и целочисленных Х переменных.
После формирования экономико-
математической модели задача эколого-экономической оптимизации проектов
строительства гальванических производств в формализованном виде может быть записана следующим образом:
Найти Xonm, Хопт,Хопт е Q , такие что
ЧДДопт ~ F(Xonm, Xonm,Хопт) ~
= max F(X,X, Х)
VX, X,X&Q
Сформулированная таким образом задача при наличии наполненной конкретной информацией модели успешно решается с использованием специализированных программных продуктов, ориентированных на решение задач частично-целочисленного линейного программирования большой размерности.
Лиманская Елена Станиславовна студентка 3-го курса кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Научный руководитель Ермоленко Борис Викторович к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Limanskaya Elena Stanislavovna (Scientific supervisor Boris V. Ermolenko)
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. e-mail: lena-limanskaj a@rambler.ru
FORMALIZED APPROACH TO SYSTEMIC ENVIRONMENTAL AND ECONOMIC DESIGNING GALVANIC MANUFACTURING
Abstract
The methods for systematical economico-ecoligical designing of galvanic manufacturing, which involve models and methods of linear programming for optimization of designing solutions have been developed. The mathematical models, which allow to realize the designing of manufacturing together with environmental protection were suggested. These models consider the relationships between manufacturing process and environmental protection, and their influence on the technological, economical and ecological attributes of the whole project.
Key words: galvanic manufacturing; mathematical modeling; linear programming; ecological and economic designing; optimization of the design solutions.
