CC BY
35
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 6. ЭКОНОМИКА. 2009. № 6
С.А. Черный1,
аспирант кафедры экономики природопользования экономического ф-та
МГУ имени М.В. Ломоносова
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
В статье рассматриваются возможности использования морфологического метода для анализа и проектирования эколого-экономических характеристик технологий переработки отходов металлургического производства. Показано, что при разработке схем утилизации металлургических отходов приемы морфологического синтеза могут быть применены для проектирования эколого-экономических параметров технологических процессов. Приводится порядок построения морфологических карт разрабатываемых техпроцессов и алгоритм оптимизации их эколого-экономи-ческих показателей. Описываются результаты применения предлагаемой методики для разработки технологии переработки отходов редкометалль-ного производства.
Ключевые слова: отходы металлургического производства, эколого-эко-номическая эффективность, морфологический синтез, утилизация металлургических отходов.
The opportunities of morphological method for the analysis and designing of economic-ecological characteristics of metallurgy waste processing are considered in this article. It is shown, that morphological synthesis can be applied to projecting economic-ecological parameters of metallurgical waste recycling. The principles of morphological cards' formation for developing technologies and algorithm of optimization of its economic-ecological parameters are adduced here. The results of created technique's use for development of rare-metal waste utilization are described.
Key words: metallurgical wastes, economic-ecological efficiency, morphological synthesis, recycling of metallurgical waste.
В настоящее время эффективная переработка отходов производства является одной из важнейших задач по обеспечению экологически безопасного устойчивого промышленного развития2. По данным Росстата, в нашей стране масса отходов всех классов, продуцируемых промышленностью, достигает 4 млрд т в год. Суммарный ущерб от загрязнения ими окружающей среды составляет,
1 Черный Сергей Анатольевич, тел.: +7 (926) 607-33-64; e-mail: blacks862@yandex.ru
2 См.: Черный С.А., Кудрявский Ю.П. Особенности эколого-технологической модернизации производства в современных условиях в промышленно развитых странах и России // Успехи современного естествознания. 2008. № 4. С. 133—134.
по оценкам специалистов, до 15% ВВП РФ. Особенно актуальна проблема переработки отходов для отечественной металлургии, где их выход превышает в среднем в 6—7 раз выпуск целевой продукции в черной металлургии и в 65—75 раз в цветной. Столь масштабное отходообразование во многом обусловливает высокую материа-ло- и энергоемкость металлургического производства. Кроме того, металлургические отходы весьма токсичны, и их обезвреживание и размещение требует существенных дополнительных затрат3.
Вместе с тем металлургические отходы богаты по содержанию металлами и могут использоваться как перспективное техногенное сырье. По данным отраслевых исследований, в отходах металлургии накоплено около 300 млн т черных и цветных металлов, а их стоимость оценивается в 16—18 млрд долл.4 Переработка накопленных отходов позволит получить существенный эколого-экономический эффект для народного хозяйства (рис. 1). Все это с учетом кризисных явлений в экономике и ограниченности рудно-сырьевой базы в РФ диктует необходимость разработки и скорейшего внедрения прогрессивных технологий утилизации отходов металлургического производства.
Важнейшими этапами проектов по созданию и внедрению подобных технологий выступают процедуры оценки и оптимизации их эколого-экономических параметров. Однако до настоящего времени специальных методик анализа эколого-экономических характеристик технологий утилизации отходов не разработано, что в значительной мере препятствует реализации указанных техпроцессов на практике. Названные обстоятельства определяют актуальность выполнения соответствующих исследований5.
Критический обзор работ по данной тематике показывает, что в последнее десятилетие наибольшее развитие получили комплексные методы изучения технологических процессов, основанные на качественных оценках их эффективности, что обусловливается широкими возможностями данных методов при исследовании раз-
3 См.: Рюмина Е.В. Соотношение природной ренты и экологических издержек // Проведение оценки воздействия на окружающую среду в государствах—участниках СНГ и странах Восточной Европы: Сб. статей / Государственный центр экологических программ. М., 2004. С. 92—98; Россия в цифрах 2008: Краткий стат. сб. / Федеральная служба государственной статистики (Росстат). M., 2008; О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2004 году: Гос. докл. / Федеральная служба государственной статистики (Росстат). М., 2005.
4 См.: ЧетверевВ.И. Экономическая эффективность использования природно-ресурсного потенциала. М., 1997.
5 См.: Карелов С.В., Набойченко Е.С., Мамяченков С.В. Оценка эколого-эконо-мической эффективности переработки вторичного сырья и техногенных отходов // Записки Санкт-Петербургского горного института. 2001. № 149. С. 203—205.
Рис. 1. Основные эколого-экономические эффекты, получаемые при утилизации отходов металлургического производства Источник: Коростелев А.Б. Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии // Металлург 2007. № 1. С. 72—74.
личных аспектов функционирования производственных систем6. Одним из методов, который, по мнению автора, может быть использован для выполнения качественного анализа эколого-эко-номических характеристик промышленных технологий, является морфологический метод. Его применение позволяет еще на стадии предварительного проектирования выявить наиболее экоэффек-тивные варианты разрабатываемых технологий.
Морфологический метод, как и прочие комбинаторно-логические методы7, применяется в инженерной практике для разработки процессов и устройств уже несколько десятилетий. Впервые в современной интерпретации идеи морфологического подхода были изложены швейцарским астрономом Ф. Цвикки в 30-е гг. прошлого века, в дальнейшем в СССР они были развиты В.М. Одриным и др. в Институте кибернетики Украины. В нашей стране наибольшее применение данный метод получил в электротехнической промышленности для создания радиоэлектронных схем и приборов. В большинстве выполненных работ описываются приемы морфологического анализа применительно к техническим проблемам функционирования разрабатываемых систем, в то время как актуальные сегодня вопросы моделирования эколого-экономической эффективности промышленных технологий практически не рас-сматриваются8. В данном контексте метод морфологического синтеза может использоваться на стадиях предварительного проектирования техпроцесса для систематизации поиска оптимума эколого-экономических характеристик разрабатываемой технологии. По своей природе подобная задача относится к области структурно-параметрического синтеза и решается с помощью так называемых методов генерации структуры и совершенствования прототипа9. В соответствии с этим общий порядок применения морфологического синтеза для эколого-экономического проектирования технологий переработки металлургических отходов выглядит следующим образом:
I этап: исходя из целей развития металлургии в области повышения экоэффективности производства и направлений анализа формируется морфологическая таблица, в которой размещаются
6 См.: Королева Е.Б., Сокорнова Т.В. Качественное оценивание экологической эффективности // Экология производства. 2006. № 9. С. 20—27.
7 Эти методы основаны на использовании так называемых А-деревьев, N-дольных и ориентированных графов, сетей Петри и т.п.
8 Zwicky F., Wilson A.G. The Morphological Approach to Discovery, Invention, Research and Construction // Contributions to the Symposium on Methodologies. Pasadena, 1967. May 22—24. N.Y., 1967. P. 273—297; Одрин В.М, Картавов С.С. Морфологический анализ систем. Киев, 1977.
9 См.: Одрин В.М. Морфологический синтез систем: постановка задачи, классификация методов, морфологические методы «конструирования». Киев, 1986.
эколого-экономические параметры разрабатываемой технологии с учетом ее производственной специфики;
II этап: на основе анализа теоретических и эмпирических сведений об изучаемом техпроцессе разрабатывается система градаций отобранных параметров с обозначением максимума их значений, который возможно достичь на практике с учетом уровня развития техники и технологии в отрасли;
III этап: на основе экспертных оценок синтезируется параметрический профиль эталонной или наилучшей доступной отраслевой технологии (НДТ) в разработанной системе эколого-экономиче-ских координат на морфокарте;
IV этап: производится анализ исследуемой технологии путем транспозиции ее эколого-экономических параметров на морфо-карту и их оценки непосредственно с помощью разработанной системы градаций (уровни, баллы) или через сравнение с наилучшей доступной технологией либо известным техпроцессом;
V этап: по результатам анализа осуществляется планирование необходимой коррекции тех или иных эколого-экономических параметров производственно-технологической системы;
VI этап: по данным лабораторно-опытных исследований или промышленных испытаний скорректированной технологии составляется ее параметрический профиль, который опять же анализируется с помощью построенной морфокарты, после чего делаются выводы о приемлемости разработанной технологии или необходимости ее коррекции в соответствии с предлагаемым алгоритмом.
Несмотря на то что задачи синтеза относятся к трудноформа-лизуемым, морфологический анализ и конструирование эколого-экономической эффективности технологий переработки отходов при наличии большого объема данных об их параметрах можно формально описать с помощью матриц инцидентности. Матрица инцидентности для морфокарты техпроцесса утилизации представляет собой прямоугольную {0, 1}-матрицу Р = || ру || размера п на т, где п — число морфологических классов, т.е. анализируемых эколого-экономических параметров технологии, а т — число вариаций указанных параметров системы.
Элемент матрицы стоящий на пересечении 1-й строки иу-го столбца, равен единице, если уровень 1-го параметра оценивается и соответствуету-й вариации, и равен нулю — в противном случае. Для того чтобы по матрице инцидентности Р синтезировать к-й вариант технологии Т, необходимо выбрать такую совокупность Тк из п элементов матрицы, для которой выполняются следующие условия:
— все элементы матрицы инцидентности, принадлежащие совокупности Тк, равны 1;
— никакие два элемента совокупности Tk не лежат в одной строке матрицы Р;
— выбранные элементы покрывают все строки матрицы инцидентности Р.
Если все элементы совокупности Tk упорядочить по возрастанию номеров строк морфокарты и вместо каждого элемента записать номер столбца, в котором зафиксирован соответствующий показатель техпроцесса, то получится л-вектор {р(1), p(2), ..., p(n)}. Этот вектор является трансверсалью эко-характеристик р(т) создаваемой технологии.
Оптимизация указанных эколого-экономических параметров технологии утилизации отходов — т.е. модификация ее параметрического профиля на морфокарте — должна направляться эвристиками, обозначенными предварительно или сформулированными по результатам лабораторно-опытных или промышленных испытаний техпроцесса. При этом необходимы технические эвристики (т.е. условия дискриминации технологий утилизации с низкой экоэффективностью) и эвристики трансформации (т.е. правила оптимизации эколого-экономических характеристик переработки отходов). В зависимости от стадии проектирования технологии подобные эвристики могут быть в виде нечетких рекомендаций приемлемости либо в виде конкретных неравенств10. Для определенности с учетом разработанной балльной градации параметров анализируемых техпроцессов утилизации металлургических отходов можно рекомендовать общие правила оценки и оптимизации технологий с помощью морфологических карт.
1. Условие выбора экоэффективных технологий:
^ =Е ь * я кр, (1)
г
где сумма балльных экспертных оценок Ь1 эколого-эконо-мических параметров ^го варианта технологии Т утилизации отходов, I — номер эколого-экономического параметра, 6 — порог дискриминации низкоэффективных технологий.
Если для приемлемости технологий использовать правило «выше среднего», то данная критическая сумма может быть равна половине максимально возможной оценки (0,5 х 6тах) или половине балльной оценки НДТ (0,5 х 6НдТ), либо любому другому значению, приемлемому с точки зрения аналитиков.
2. Условие оптимизации эколого-экономических параметров технологии в процессе ее модернизации и усовершенствований:
10 См.: Валуев С.А., Волкова В.Н. Системный анализ в экономике и организации производства. Л., 1991.
^ < ^ ^ ^
°Тк ~°Тк +1 ^ °НДТ'
где БТк и $Тк+1 — суммы оценочных баллов к-го и (к + 1)-го варианта технологии Т; ^НдТ — балльная оценка наилучшей доступной технологии данного класса. Данное условие означает, что у каждой эволюционно последующей схемы утилизации эколого-экономи-ческие параметры должны быть не хуже, чем у предшествующей технологии, при этом необходимо, чтобы уровень параметров в процессе итерационных улучшений приближался к уровню наилучших доступных технологий.
3. Собственно алгоритм оптимизации или коррекции эколого-экономических параметров разрабатываемой технологии переработки отходов основан, как уже указывалось, на итерационных процедурах сравнения параметрических профилей анализируемого техпроцесса и эталонной технологии (НДТ) (рис. 2).
ПП Тк = {Р! (тк), р2 (тк)... Р1 (тк)... рп (тк)} ппКор = {Р! (Тэт) - Р1 (тк)}
Рх(Тк) Р1(Тэт)-Р1(Тк)
*** ***
Р;(Тк) Р^Тэ^-Р^Тк)
*** ***
Рп(Тк) Рп(Тэт)-Рп(Тк)
ППЭТ = {Р! (Тэт), Р2 (Тэт ) ... (Тэт ) ... Рп (Тэт)}
Рис. 2. Алгоритм построения плана оптимизации эколого-экономических параметров разрабатываемой техники
На рисунке использованы следующие обозначения:
Р. (Тк), Р. (Тэт) — 1-й эколого-экономический параметр к-го и эталонного вариантов технологии Т утилизации отходов соответственно; ППТ^, ППТ и ППкор — параметрические профили к-го и эталонного вариантов техпроцесса, а также плана коррекции к-го варианта технологии в целях оптимизации его эколого-экономических параметров.
Очередность задач коррекции определяется степенью отклонения от эталонного уровня параметра — чем оно больше, тем быстрее требуется скорректировать соответствующий показатель. В матричном виде план оптимизации можно найти следующим образом:
ПП
кор
ПП
ПП
Тк'
(3)
эт
где ППкор={Пк°р, Пр3, ..., П^ор} — параметрический профиль плана оптимизации к-го варианта анализируемой технологии, ППТ = = {П1Тэт, П2Тэт, ..., ПлТэт и ППТк = {П1Тк, П2Тк, ..., ПТТк} — параметрические профили эталонной технологии (НДТ) и к-го варианта разрабатываемой технологии.
Данная итерационная процедура выполняется для каждого варианта разработанной технологии до тех пор, пока необходимый, наилучший или максимально возможный уровень эколого-эконо-мических параметров техпроцесса не будет достигнут.
Предлагаемая методика анализа эколого-экономической эффективности была использована для оптимизации технологии переработки отходов редкометалльного производства ОАО «Соликамский магниевый завод». В соответствии с вышеописанным порядком анализа на первом этапе на основе анализа государственных программ были выделены общеотраслевые цели развития металлургии в области повышения эколого-экономической эффективности производства (рис. 3).
Рис. 3. Цели развития металлургии в области повышения эколого-экономической эффективности производства
Источник: Стратегия развития металлургической промышленности Российской Федерации на период до 2015 года: Материалы официального сайта Минпромторг РФ. URL: http://www.minprom.goy.ru/actiyity/metal/strateg/2 (дата обращения: 20.05.2009).
Затем была сформирована морфологическая карта для анализа и оптимизации эколого-экономических характеристик процесса утилизации отходов редкометалльного производства. Для этого было отобрано 30 ключевых параметров техпроцесса, которые были разбиты на блоки, соответствующие стадиям технологии и своей роли в процессе переработки отходов.
Блок 1. Подготовка отходов к переработке:
— способ и варианты реализации подготовки отходов к переработке;
— возможности объединения и/или сепарации отходов по видам;
— потребности процесса подготовки отходов к переработке в трудовых, материально-энергетических ресурсах, специальном оборудовании и технических сооружениях.
Блок 2. Основной этап переработки отходов:
— научно-техническая новизна и сложность процесса переработки отходов;
— потребности процесса в энергии, оборудовании, материальных и трудовых ресурсах определенного качества и количества;
— влияние переработки на ресурсо-, энергоемкость и прочие параметры производства основной продукции.
Блок 3. Эколого-экономические результаты переработки отходов:
— количественные и качественные параметры вторичных отходов, в том числе их объемы, ценность, размещение и экологическая опасность;
— результаты использования отходов для сокращения потребления природных ресурсов и выпуска дополнительной продукции;
— влияние технологий переработки отходов на показатели производительности и экологической безопасности производства;
— влияние технологий переработки отходов на эколого-эконо-мико-социальные показатели производства.
Для качественной градации вариантов используемых показателей была применена простая трехуровневая шкала, а для количественной — с каждым уровнем градации сопоставлены определенные балльные оценки. Таким образом, была сформирована морфологическая таблица, фрагмент которой приведен ниже.
Следует подчеркнуть, что построенная морфологическая матрица помимо стандартных технологических и эколого-экономиче-ских параметров позволяет анализировать возможности реализации тех или иных вариантов процесса переработки отходов. Кроме того, поскольку технологии утилизации отходов являются дополнительными технологиями, для оценивания их эффективности в морфологической карте рассматривается влияние данных технологий на эколого-экономические показатели основного производства.
Применение указанной морфокарты позволило выявить ряд существенных недостатков используемой на предприятии в течение
длительного времени технологии переработки отходов, связанных с плохой управляемостью, нерациональной схемой, высокой ка-питало- и отходоемкостью эксплуатируемого техпроцесса.
Фрагмент морфологической карты для анализа экоэффективности технологий переработки отходов редкометалльного производства
Оцениваемые параметры технологического процесса переработки отходов редко-металльного производства Уровни оценки
Низкий Средний Высокий
5 баллов 10 баллов 20 баллов
Блок 1. Подготовка отходов к переработке
*** *** *** ***
Вариант технической реализации процесса подготовки отходов к переработке на стороннем производстве на дополнительном технологическом участке непосредственно на месте образования отходов
*** *** *** ***
Объединение различных отходов для совместного обезвреживания не реализуется для незначительной части общего объема отходов для значительной части или полного объема отходов
Блок 2. Основной этап переработки отходов
Виды материально-энергетических ресурсов, необходимых для переработки отходов уникальные дефицитные и относительно дорогостоящие распространенные и относительно дешевые
*** *** *** ***
Виды оборудования, необходимого для переработки отходов нестандартное и/или уникальное стандартизируемое стандартное
*** *** *** ***
Влияние переработки отходов на энергоемкость производства энергоемкость возрастает энергоемкость существенно не изменяется энергоемкость уменьшается
*** *** *** ***
Влияние переработки отходов на величину капзатрат на единицу основной продукции удельные капзатраты возрастают удельные капзатраты существенно не изменяются удельные капзатраты уменьшаются
*** *** *** ***
Оцениваемые параметры технологического процесса переработки отходов редко-металльного производства Уровни оценки
Низкий Средний Высокий
5 баллов 10 баллов 20 баллов
Блок 3. Эколого-экономические результаты переработки отходов
Виды вторичных отходов по агрегатным состояниям твердые, жидкие, газообразные твердые и жидкие твердые
*** *** *** ***
Возможности размещения вторичных отходов захоронение в спецхранилище размещение на специальном полигоне открытое размещение в окружающей среде
*** *** *** ***
Продуктивный результат утилизации отходов доп. выпуск товарной продукции отсутствует доп. выпуск основной товарной продукции доп. выпуск основной и неосновной товарной продукции
В соответствии с правилами (2)—(3) для улучшения эколого-экономических характеристик базового техпроцесса были последовательно разработаны, апробированы и подвергнуты повторному анализу 4 варианта усовершенствованной технологии. В результате оптимизации технологии экономичность техпроцесса увеличилась в 3,6 раза при уменьшении количества вторичных отходов в 6 раз. Итоговый вариант усовершенствованной технологии по своим эколого-экономическим параметрам вплотную приближен к наилучшей доступной технологии переработки отходов химико-металлургического производства, параметрический профиль которой был также синтезирован в процессе выполнении настоящей НИОКР. Внедрение указанной технологии позволяет снизить на 1% себестоимость редкометалльной продукции и добиться экономии 2,5% годового потребления дефицитного минерального сырья за счет рециклинга отходов. Общий эффект от введения в промышленную эксплуатацию новой схемы утилизации отходов составляет 77 млн руб. в год в текущих ценах11.
11 См.: Черный С.А., Кудрявский Ю.П., Рахимова О.В. и др. Анализ экономической эффективности технологии обезвреживания и дезактивации сточных вод редкоме-талльного производства // Фундаментальные исследования. 2005. № 10. С. 19—22; Кудрявский Ю.П., Черный С.А., Рахимова О.В. и др. Оптимизация технологии переработки и дезактивации радиоактивных солевых растворов и сточных вод с извлечением редких, рассеянных и редкоземельных металлов и их возвратом в технологический цикл // Современные наукоемкие технологии. 2008. № 6. С. 31—39.
Окончание табл.
Список литературы
Валуев С.А., Волкова В.Н. Системный анализ в экономике и организации производства. Л., 1991.
Карелов С.В., Набойченко Е.С., Мамяченков С.В. Оценка эколого-эко-номической эффективности переработки вторичного сырья и техногенных отходов // Записки Санкт-Петербургского горного института. 2001. № 149.
Королева Е.Б., Сокорнова Т.В. Качественное оценивание экологической эффективности // Экология производства. 2006. № 9.
Коростелев А.Б. Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии // Металлург. 2007. № 1.
Кудрявский Ю.П., Черный С.А., Рахимова О.В. и др. Оптимизация технологии переработки и дезактивации радиоактивных солевых растворов и сточных вод с извлечением редких, рассеянных и редкоземельных металлов и их возвратом в технологический цикл // Современные наукоемкие технологии. 2008. № 6.
Одрин В.М., Картавов С.С. Морфологический анализ систем. Киев, 1977.
Одрин В.М. Морфологический синтез систем: постановка задачи, классификация методов, морфологические методы «конструирования». Киев, 1986.
О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2004 году: Гос. докл. / Федеральная служба государственной статистики (Росстат). М., 2005.
Россия в цифрах 2008: Краткий стат.сб. / Федеральная служба государственной статистики (Росстат). M., 2008.
Рюмина Е.В. Соотношение природной ренты и экологических издержек // Проведение оценки воздействия на окружающую среду в государствах—участниках СНГ и странах Восточной Европы: Сб. статей / Государственный центр экологических программ. М., 2004.
Стратегия развития металлургической промышленности Российской Федерации на период до 2015 года: Материалы официального сайта Мин-промторг РФ. URL: http://www.minprom.gov.ru/activity/metal/strateg/2
Черный С.А., Кудрявский Ю.П. Особенности эколого-технологической модернизации производства в современных условиях в промышленно развитых странах и России // Успехи современного естествознания. 2008. № 4.
Черный С.А., Кудрявский Ю.П., Рахимова О.В. и др. Анализ экономической эффективности технологии обезвреживания и дезактивации сточных вод редкометалльного производства // Фундаментальные исследования. 2005. № 10.
Четверев В.И. Экономическая эффективность использования при-родно-ресурсного потенциала. М., 1997.
Zwicky F., Wilson A.G. The Morphological Approach to Discovery, Invention, Research and Construction // Contributions to the Symposium on Methodologies. Pasadena, 1967. May 22—24. N.Y, 1967.
4 ВМУ, экономика, № 6
49
