CC BY
388
ЭКОНОМИКА
УДК 622.012.013:005.584.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕСУРСОВ ПО ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ
ФАКТОРУ
В.И. Ефимов, И.Б. Никулин, В.Л. Рыбак
Представлены результаты решения научно-практической задачи по разработке механизма эколого-экономической оценки и выбора вариантов использования отходов углеобогащения, позволяющего повысить эффективность природопользования при снижении негативных последствий для среды обитания от техногенных накоплений. Обоснован технологический подход, позволяющий повысить эколого-экономическую эффективность вовлечения в хозяйственную деятельность отходов углеобогащения.
Ключевые слова: отходы, обогащение угля, эколого-экономическая эффективность, оптимизация, математическая модель.
Угольная отрасль была, есть и будет одной из базовых отраслей народного хозяйства России. В соответствии с энергетической стратегией развития страны к 2030 году предусматривается увеличение объемов угледобычи до 410 млн. т в год. При этом доля углей, подлежащих обогащению должна возрасти до 40 % от общего объема добываемых углей. В результате работы предприятий углеобогащения будет образовано около 240 млн. т отходов обогащения. Углеобогатительные предприятия отрасли расположенные в различных регионах страны, за длительный период работы уже накопили значительные, более 20 млрд. т отходов углеобогащения. При этом большая часть твердых отходов углеобогащения размещается в отвалах, остальная мелкодисперсные шламы. Накопленные и накапливаемые отходы углеобогащения оказывают масштабное и длительное по времени негативное воздействие на окружающую природную среду. Они занимают значительные территории, многие из накоплений отходов склонны
к самовозгоранию и поэтому представляют собой реальную угрозу населению.
В условиях рынка предприятия угольной промышленности постоянно вынуждены искать пути сокращения издержек и создания большего разнообразия в выпускаемой основной и сопутствующей продукции. На современном этапе развития углеобогатительного производства большой потенциал роста эффективности сопряжен с рационализацией использования отходов углеобогащения. Раскрытие этого потенциала может быть осуществлено по нескольким направлениям деятельности, одним из которых является получение дополнительного дохода за счет производства потребительных стоимостей из отходов углеобогащения. Другим, сокращение экологических издержек за счет снижение нагрузки на окружающую природную среду от размещения и хранения таких отходов.
Исследованиями установлено, что производственная деятельность, базирующаяся на использовании отходов углеобогащения, тесно взаимосвязана с источниками поступления отходов и видами создаваемых из них потребительных стоимостей. В свою очередь различные сочетания видов: источников поступления отходов, производственной деятельности, создаваемой из отходов продукции, оказывают влияние на формирование источников негативного воздействия на окружающую природную среду. Данные взаимосвязи являются исходной базой для формирования соответствующих производственных, экономических и эколого-экономических результатов процесса использования отходов углеобогащения с учетом их влияния на изменение среды обитания.
В результате проведенных исследований взаимосвязи экологических, экономических и производственных составляющих эколого-экономической эффективности использования отходов углеобогащения установлено, что наиболее значимыми признаками, характеризующими отличительные особенности различных видов использования отходов углеобогащения, являются: «1» - характер исходного состояния отходов («11» - накопленные ранее, «1-2» - образующиеся на обогатительных предприятиях); «2» - характер используемости отходов («2-1» - переработка с образованием вторичных отходов, «2-2» - переработки без образования вторичных отходов, «2-3» - без переработки); «3» - характер влияния на окружающую природную среду («3-1» - снижение масштабов имеющегося негативного воздействия, «3-2» - снижение прироста загрязнения, «3-3» -прирост негативного воздействия).
Анализ выявленных признаков типизации направлений для использования отходов углеобогащения позволил выявить четыре возможных вида направлений использования отходов углеобогащения.
Направление «А» - «Извлечение компонентов». Это извлечение углеводородов из накопленных в отвалах (шламонакопителях) отходов углеобогащения (сочетание признаков 1-1; 2-1 и 3.1)
Направление «Б» - «Переработка накоплений». То есть переработка ранее накопленных отходов углеобогащения (сочетание признаков 1.1; 2.2 и 3.1).
Направление «В» - «Переработка без накопления». Технологии переработки отходов углеобогащения образующихся на обогатительных фабриках (сочетание признаков 1.2; 2.2 и 3.2).
Направление «Г» - «Рекультивация». Использование отходов углеобогащения, образующихся на обогатительных фабриках, в процессе рекультивации (сочетание признаков 1.2; 2.3 и 3.3).
Для оценки установленных направлений использования отходов углеобогащения предложен критерий эффективности, как отношения экономических и экологических эффектов к затратам по использованию отходов.
1. Критерий оценки эффективности «А»-го вида направления использования отходов углеобогащения:
Х[(щ - с )о - со - с2 (об - о:)+(дъ^ - А■■ )
а N
КА = -=7-ч-, (1)
" х( ^ ■ ^ ■+■ пр )а
где г - индекс рассматриваемого периода времени (год); Ца{ - цена углеводородной продукции, руб/т; ^ t - объем производства из отходов углеводородной продукции, т; Сг - себестоимость извлечения из отходов углеводородной продукции, руб/т;
с67 г - себестоимость добычи (извлечения) отходов углеобогащения из отвала (шламонакопителя), руб/т; Л - себестоимость складирования вторичных отходов углеобогащения в отвал (шламо-накопитель), руб/т; - объем отходов извлекаемых из отвалов (шламона-копителей) углеобогащения, т;
г - среднегодовой объем снижения загрязнения окружающей среды от накоплений отходов при А-ом направлении их использования, усл. ед.; ^А от ■ - среднегодовой объем загрязнения окружающей среды от производственной деятельности по извлечению углеводородов, усл. ед.; N - норматив платы за выбросы (сбросы) в окружающую природную среду загрязняющих веществ от накоплений отходов углеобогащения, руб/усл.ед.; Ztк^из. - объем капительных вложений в производство по извлечению отходов углеобогащения из мест их накопления (отвалов, шламонакопителей), руб/год; Ztкмр^ - объем капительных вложений в производство по извлечению углеводородов из отходов углеобогащения, руб/год.
2. Критерий оценки эффективности «Б»-го вида направления использования отходов углеобогащения:
I
КБ
1(ц* - ск()- сбои-(щБ -щб-)N+Ц- ztpек
а
1( 2гр'+2г )а
(2)
где к-индекс вида продукции создаваемой из отходов углеобогащения; Цы - цена продукции создаваемой из отходов углеобогащения, руб/т; Qkt -объем продукции создаваемой из отходов углеобогащения, т; Сы - себестоимость производства вида продукции из отходов углеобогащения, руб/т; Ztкмер. - объем капительных вложений в производство по переработке отходов углеобогащения в различные виды продукции, руб/год; 2рк -затраты на рекультивацию высвобождающихся участков земной поверхности, руб; - снижения объемов загрязнения ОПС от накоплений отходов углеобогащения при Б-ом направлении их использования, усл. ед.; щб от. - объем загрязнения окружающей среды от производственной деятельности по созданию потребительных стоимостей из отходов углеобогащения, усл. ед.; Щем - рыночная цена земной поверхности в местах нахождения накоплений отходов углеобогащения, руб/га; - площадь земной поверхности высвобождаемой в результате использования отходов углеобогащении, га.
3. Критерий оценки эффективности «В»-го вида направления использования отходов углеобогащения:
I
1( Ць - Сь ) Оь -{ЩВ - Ж(В .°т.) N
К ж ,
В х ' тк.пер.
I
а
а
(3)
где А ЩВ - объем снижения объемов загрязнения ОПС при снижении прироста накоплений отходов углеобогащения образующихся при обогащении угля на ОФ при В-ом направлении их использования, усл. ед.; щВот - объем загрязнения ОПС от производственной деятельности по созданию потребительных стоимостей из отходов углеобогащения, усл. ед.
4. Критерий оценки эффективности «Г»-го вида направления использования отходов углеобогащения:
цр. - цзем.) sp.зем. -(Ащг - ж(Г от.) N ]
кг =-^-, (4)
Г I огсга ' ( )
где Цр.зем. - цена рекультивируемой поверхности накопления отходов углеобогащения в ^м году, руб/га; Вр^ - площадь рекультивированной земной поверхности, га; АЩГ - объем снижения объемов загрязнения окружающей среды при снижении прироста накоплений отходов углеобога-
щения образующихся при обогащении угля при Г- ом направлении их использования, усл. ед.; Щг от ■ - объем загрязнения ОПС при использовании отходов углеобогащения для рекультивации земной поверхности, усл. ед.; Орек - объем отходов углеобогащения направленный на рекультивацию земной поверхности, т; С{рек - себестоимость доставки отходов углеобогащения для рекультивации поверхности, руб/т.
Эколого-экономическая целесообразность реализации различных способов использования отходов углеобогащения зависит от множества факторов, которые оказывают различный уровень влияния на рассматриваемый процесс.
В результате проведенного анализа были выявлены и систематизированы по основным группам факторы: состояние накопления отходов; извлечение отходов из их накоплений; образование отходов на ОФ; физико-химические свойства отходов; климатические условия; производство продукции из отходов; территориальное расположение отходов; экологические; экономические и факторы рыночной коньюктуры.
Для установления степени значимости влияния выявленных факторов на эффективность каждого из четырех направлений использования отходов в области углеобогащения проведен экспертный опрос специалистов в области углеобогащения, производств по переработке отходов угледобывающего производства, охраны окружающей среды, экономики природопользования и др.
Эксперты оценивали степень влияния факторов на эффективность различных видов использования отходов углеобогащения по пяти бальной шкале, где 5 - максимальная, 4 - высокая, 3 - средняя, 2 - значимая, 1 -минимальная, таблица 1.
Таблица 1
Влияние факторов на эффективность направлений использования
отходов углеобогащения
Факторы, влияющие на эффективность направлений использования отходов углеобогащения Направления использования отходов углеобогащения
А Б В Г
1. Состояние накоплений отходов
1.1. Объем запасов в накоплении отходов 3 3 - -
1.2. Вид накопления отходов 5 4 - -
2. Извлечение отходов из их накоплений
2.1.Производственная мощность извлечения отходов 3 3 - -
2.2. Способ транспортировки отходов 3 2 - -
3.Состояние прилегающих земель
3.1.Ландшафт - - - 4
Направления использова-
Факторы, влияющие на эффективность направлений использования отходов углеобогащения ния отходов углеобогащения
А Б В Г
3.2. Нарушенность земель - - - 5
4. Образование отходов на ОФ
4.1. Производственная мощность ОФ - - 4 4
4.2. Глубина обогащения угля - - 5 1
5.Физико-химические свойства отходов
5.1.Содержание угля в накоплении отходов 5 3 5 2
5.2.Минеральный состав отходов углеобогащения 5 5 5 4
б.Климатические условия
6.1. Количество теплых дней в году 4 3 - 5
6.2. Интенсивность осадков 1 1 - 5
7.Производство продукции из отходов
7.1.Виды создаваемой продукции при переработке отходов 4 5 5 -
7.2. Количество видов продукции 3 3 4 -
8. Территориальное расположение отходов
8.1. Удаленность от мест переработки 3 2 - -
8.2. Удаленность от транспортных магистралей 4 3 - -
9.Экологические
9.1.Значимость загрязнения ОПС накоплениями отходов 3 2 - 4
9.2.Значимость загрязнения ОПС при переработке отходов 2 3 4 -
9.5 Количество источников загрязнения 1 1 3 4
10. Экономические
10.1. Капиталоемкость производства по переработке отходов 5 4 4 -
10.2. Конкурентоспособность продуктов переработки отхо- 4 4 4 2
дов
10.3. Рентабельность переработки отходов 5 5 5 5
11. Состояние рынков
11.1.Цена на создаваемую из отходов продукцию 4 4 5 3
11.2.Объем рыночного спроса 4 5 4 4
Комплексная оценка влияния факторов 1,01 0,95 0,87 0,82
В результате проведенных исследований установлено, что на эффективность каждого из направлений использования отходов углеобогащения влияют различные сочетания значимых факторов, характеризующие как количественные, так и качественные стороны и особенности в этой сфере деятельности.
Основываясь на результатах экспертной оценки факторов, была проведена оценка их комплексного влияния на эффективность каждого из направлений использования отходов углеобогащения путем сопоставления суммарной оценки, полученных значений факторов к суммарной величине их максимально возможных значений (то есть 5). В результате выполнен-
ных расчетов получены значения комплексной оценки факторов для всех четырех направлений использования отходов углеобогащения.
Полученные результаты исследований свидетельствуют о том, что рациональность вовлечения отходов углеобогащения в хозяйственную деятельность необходимо осуществлять с использованием полученных критериев оценки эффективности для каждого из четырех направлений их использования с учетом комплекса влияющих факторов.
Для оценки эффективности использования отходов углеобогащения разработана экономико-математическая модель, в качестве целевой функции которой принята сумма критериев эффективности выявленных направлений в хозяйственной деятельности с учетом комплексной оценки влияющих факторов.
Э = У( KАFА + KБFБ + KВFВ + KГFГ ) ^ тах, (5)
/ 1 \ пе пе пе пе } ' V /
е
где е - индекс участка (объема) отходов углеобогащения; п-индекс вариантов использования отходов углеобогащения; Эп -эффективность вариантов использования отходов углеобогащения от различных направлений использования отходов обогащения углей, доли ед.
В качестве ограничений целевой функции приняты следующие условия:
1. Условие соответствия объема отходов используемых для создания потребительных стоимостей суммарной величине объема углеобогащения извлекаемых из мест их накопления и образующихся на ОФ в процессе обогащения угля с учетом требований их переработки:
о+Х о*+опе
0,5 <-к----< 1, (6)
об+, ()
где 0°пб - объем отходов углеобогащения образующийся в процессе обогащения углей на ОФ, т.
2.Условие не превышения объемов продукции, создаваемой при использовании отходов углеобогащения объему рыночного спроса:
0,5 —-< 1, (7)
г(т) т
где т - индекс вида продукции создаваемых при использовании отходов углеобогащения; г-индекс сегмента рынка; Qnm - годовой объем продукции создаваемой при использования отходов обогащения, т; Qrm) - годовой объем спроса в сегменте потребительского рынка на продукцию, создаваемую при использовании отходов углеобогащения, т; Кнт - коэффициент конкурентоспособности продукции на потребительском рынке, доли ед.
3. Условие достаточности финансовых средств для различных направлений (вариантов) использования отходов углеобогащения:
^г^соб ^г^заем ^ X 1
УГ ук _ А + 7Э \
2 Л пт, пт, пт/ )
О, (8)
где ФСОб - объем собственных средств предприятия занятого использованием отходов углеобогащения, руб; Ф3^ - объем заемных средств, руб; - капитальные затраты необходимые для реализации направлений использования отходов обогащения углей, руб; - среднегодовые эксплуатационные затраты при различных направлений использования отходов обогащения углей, руб; А^ - объем амортизационных отчислений на реновацию при различных вариантах использования отходов обогащения углей, руб
4. Условие обеспечения рентабельности производственной деятельности при различных направлениях использования отходов углеобогащения:
КА Кб Кв
К г
> 0, (9)
5. Условие соблюдения экологических нормативов в населенных пунктах региона:
Жфон'+У^(жот'_ЛЖ )
V /,\ пу ПУ I
-V-< 1, (10)
ПДКу ' ' '
где V - индекс составляющей окружающей природной среды (атмосфера - V = 1; гидросфера - V = 2; земная поверхность V = 3); Жуфон' - объем фонового
-5
загрязнения окружающей природной среды, мг/м ; Ж™' - объем загрязнения окружающей природной среды при различных направлениях исполь-
-5
зования отходов углеобогащения, мг/м ; ЛЖЮ - снижение объема загрязнения окружающей природной среды от накоплений отходов углеобогаще-
-5
ния при различных направлениях их использования, усл.ед./м ; ПДК - предельно допустимая концентрация вредных веществ в окружающей среде, мг/м3.
Для получения возможности своевременного принятия решений по эффективному вовлечению отходов углеобогащения в хозяйственную деятельность предложен алгоритм, позволяющий выбирать направления и рациональные варианты их реализации (рисунок). Реализация алгоритма состоит из пяти этапов.
На первом этапе предполагается проведение анализа состояния отходов углеобогащения, технологий их переработки, состояния рынков продукции с последующей оценкой их отличия от предыдущего состояния
>
и принятия решений о необходимости поиска рационального направления и варианта использования отходов углеобогащения.
На втором этапе производится оценка комплексного влияния факторов на все возможные направления использовании отходов углеобогащения, выбор варианта использования отходов для проведения его эколо-го-экономической оценки.
На третьем этапе осуществляется проверка совместимости сформированных вариантов по использованию отходов углеобогащения с ограничениями экономико-математической модели и их оценка.
На четвертом этапе производится проверка полноты рассмотрения возможных направлений и вариантов использования отходов углеобогащении.
На пятом этапе производится выбор и реализация рационального варианта использования отходов углеобогащения.
Полученные результаты исследований доказывают целесообразность вовлечения отходов углеобогащения в хозяйственную деятельность с применением механизма эколого-экономической оценки и выбора вариантов направлений их использования, включающего экономико-математическую модель, целевой функции которой является максимизация суммы эффектов по направлениям такой деятельности с учетом влияющих факторов и принятых ограничений.
Таким образом, для поиска оптимальных вариантов использования отходов углеобогащения разработан новый подход, предусматривающий выявление качественно однородных видов такой деятельности. При этом формируются показатели оценки эколого-экономической эффективности для предлагаемых технических решений, выявляются, систематизируются и оцениваются факторы, оказывающих наиболее значимое влияние на каждое из направлений использования отходов. Далее идентифицируется экономико-математическая модель оценки направлений и вариантов использования отходов углеобогащения.
В качестве объекта для апробации результатов исследований взята ОФ «Листвяжная», входящая в состав ОАО «СДС - уголь». Производственная мощность ОФ «Листвяжная» по обогащению горной массы составляет 6 млн. т в год. В результате процессов обогащения горной массы ежегодно образуется около 400 тыс. т твердых отходов, направляемых в отвалы, и около 250 т мелкодисперсных высокозольных угольных шламов, накапливаемых в шламохранилищах.
Рис. Алгоритм эколого-экономический оценки и выбора вариантов направлений использования отходов углеобогащения
В результате процесса накопления твердых и мелкодисперсных отходов обогащения на ОФ «Листвяжная» ежегодно возрастают масштабы негативного воздействия на окружающую природную среду. Вычислительные эксперименты с использованием разработанной экономико-математической модели (ЭММ) по направлениям использования отходов углеобогащения ОФ «Листвяжная» позволили установить, что наиболее предпочтительным является их переработка в строительные материалы (КВ > {КА, КБ, КГ}). Проведенная на основе ЭММ оценка вариантов создания строительных материалов позволил установить, что наиболее предпочтительным в имеющихся условиях, является использования мелкодисперс-
ных отходов углеобогащения (кек пресс-фильтров) для производства агло-порита, в качестве заполнителя в конструкционных легких бетонах.
При этом доказано, что годовой объем производства аглопорита должен составить 70 тыс. т. Для его производства следует вовлечь в хозяйственный оборот 210 тыс. мелкодисперсных отходов обогащения угля (таблица 2).
Талица2
Эколого-экономическая оценка эффективности производства аглопорита из мелкодисперсных отходов обогащения угля
на ОФ «Листвяжная»
3 Себестоимость производства аглопорита, руб/м 451
3 Цена аглопорита с НДС, руб/м 2400
Чистая прибыль, млн. руб 118 897 440
Стоимость оборудования, здания, млн. руб 92 800 000
Окупаемость оборудования, мес. 9.4
Затраты на создание производства, млн. руб 118 700 000
Окупаемость затрат на производство, мес. 12
Снижение прироста экологической нагрузки, % 6
Таким образом, в результате сравнения различных вариантов для использования отходов углеобогащения ОФ «Листвяжная» «предлагаемый вариант» позволит получить дополнительную чистую прибыль около 119 млн. руб в год, при снижении экологической нагрузки на среду обитания в прилегающих территориях.
Ефимов, Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., Discovery2089 @gmail.com, Россия, Москва, НИТУ МИСиС,
Никулин Илья Борисович, аспирант, Discovery2089 @gmail. com, Россия, Москва, НИТУ МИСиС,
Рыбак Владимир Львович, аспирант, ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
USING WASTES OF COAL CLEANING AND OPTIMIZING RESOURCES BY ENVIRONMENTAL FACTOR
Victor I. Efimov, Ivan B. Nikulin, Vladimir L. Ribak
Results of solving scientific-practical problem by creating economic-environmental evaluating and choosing variants of using wastes of coal cleaning algorithm, which makes it possible for raising efficiency of nature management and reducing negative consequences for environment form anthropogenic wastes are submitted. The technological approach allowing raising economic-environmental efficiency of using coal cleaning wastes at economic activity.
Key words: wastes, coal cleaning, economic-environmental efficiency, optimizing, mathematical model.
Victor I. Efimov, Doctor of Science, Full Professor, Discovery2089 @,gmail.com, Russia, Moscow City, National Research Technological University "Moscow Institute of Steel and Alloys",
Ivan B. Nikulin, postgraduate student Discovery2089@gmail.com, Russia, Moscow City, National Research Technological University "Moscow Institute of Steel and Alloys",
Vladimir L. Ribak, Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula City, Tula State University
