Анализ влияния различных факторов на параметры рециклинга

Произведенная в предыдущем разделе адаптация имитационной модели рециклинга к условиям черной металлургии Японии позволяет проанализировать влияние различных факторов на параметры использования вторичных ресурсов железа и общую структуру ЖЦИ из стального проката в рамках различных экологических сценариев. Рассматривались прогнозные сценарии развития экономики Японии на период до 2040 года с учетом перехода на социальную модель общества рециклинга с 2011 года. То есть предполагается, что с 2011 года производится законодательное («социальное») регулирование сроков эксплуатации металлоизделий и параметров обращения с вторичными ресурсами металлов.

Рассмотрим влияние длительности периодов эксплуатации в рамках сценариев с короткими (сценарий № 1) и длительными (сценарий № 2) периодами эксплуатации металлопродукции (таблица 124).

 

Таблица 124. Длительность пребывания изделий в сферах потребления

 

Сфера потребления	Длительность пребывания изделий в сфере потребления, годы
	Сценарий №1	Сценарий №2
Краткосрочная сфера	2	8
Среднесрочная сфера	5	15
Долгосрочная сфера	20	30

 

На рисунках 55 и 56 показано количество железа изделий, покинувших различные сферы эксплуатации в зависимости от реализуемого сценария, а на рисунках 57, 58, 59, 60, соответственно, количество использованного амортизационного металлолома изделий различных сроков эксплуатации и суммарное количество перерабатываемых вторичных ресурсов железа.

 

Рисунок 55. Количество железа изделий, покинувших различные сферы эксплуатации по сценарию 1.

 

Рисунок 56. Количество железа изделий, покинувших различные сферы эксплуатации по сценарию 1.

Рисунок 57. Количество использованного амортизационного металлолома изделий из краткосрочной сферы потребления при различных периодах эксплуатации

Рисунок 58. Количество использованного амортизационного металлолома изделий из среднесрочной сферы потребления при различных периодах эксплуатации

 

Рисунок 59. Количество использованного амортизационного металлолома изделий из долгосрочной сферы потребления при различных периодах эксплуатации

Рисунок 60. Общее количество использованного амортизационного металлолома по сценариям № 1 и2.

 

Данные графика на рисунке 60 показывают, что при социальном регулировании потребления вторичных ресурсов железа необходимо учитывать прогнозируемый дефицит амортизационного лома, который по сценарию №2 (в сравнении со сценарием №1) составит 5 – 10 млн. т в течение 2012 – 2020 годов и около 15 млн. т в течение 2030 – 2040 годов.

Наибольшее влияние на количество используемых вторичных ресурсов железа, естественно, оказывает уровень сбора амортизационного металлолома. В случае реализации соответствующих директив ЕС и Японии о доведении уровня рециклинга основных изделий из металла до 85 % ситуация с вторичными ресурсами железа изменится следующим образом: сценарий №3 характеризует современный уровень рециклинга, а сценарий №4 – прогнозный (85 %) – таблица 125, рисунки 61…65.

 

Таблица 125. Потери при сборе лома

 

Потери при сборе металлолома, %:	Сценарий № 3	Сценарий № 4
в краткосрочной сфере	40	15
в среднесрочной сфере	30	15
в долгосрочной сфере	55	15

 

Для обоих рассматриваемых сценариев длительность эксплуатации изделий для различных сфер потребления составляла:

Краткосрочная сфера ……………….. 5 лет

Среднесрочная сфера ………………..10 лет

Долгосрочная сфера ………………... 25 лет.

Рисунок 61. Количество использованного амортизационного металлолома изделий из краткосрочной сферы потребления по сценариям № 3 и 4.

 

Рисунок 62. Количество использованного амортизационного металлолома изделий из среднесрочной сферы потребления по сценариям № 3 и 4.

 

Рисунок 63. Количество использованного амортизационного металлолома изделий из долгосрочной сферы потребления по сценариям № 3 и 4.

Рисунок 64. Зависимость использования ресурсов амортизационного металлолома от потерь при сборе по сценариям № 3 и 4.

 

Рисунок 65. Прогноз изменения потребления природных и вторичных ресурсов железа в зависимости от степени рециклинга металлолома

 

Таким образом, успешная реализация главного социального фактора влияния на использование вторичных ресурсов железа – повышение доли рециклинга до 85 % - уже к 2015 году приведет к практически равному уровню потребления природных и вторичных ресурсов. В дальнейшем, начиная с 2033 года, доля вторичных ресурсов увеличится до 2/3, то есть будет иметь место ситуация, противоположная существующему в настоящее время положению (рисунок 65). Соответственно изменится и структура металлофонда. После 2033 года он на ¾ будет формироваться стальными изделиями, произведенными из амортизационного лома (сценарий № 4), в то время как в случае сохранения современных параметров рециклинга (сценарий № 3) на этом же временном отрезке в металлофонд поступит менее 50 % изделий, полученных из вторичного сырья (рисунки 66 и 67).

 

Рисунок 66 - Изменение структуры металлофонда по сценарию 3.

 

Рисунок 67. Изменение структуры металлофонда по сценарию 4.

 

Оценим максимально возможные, по современным представлениям, параметры использования вторичных ресурсов. Сравним сценарий № 5, в котором приняты среднемировые показатели потерь железа в производственных процессах и сборе амортизационного металлолома, и сценарий № 6 с максимальными достигнутыми в настоящее время параметрами (таблицы 126 и 127, рисунок 68). Полученные результаты показывают, что для обеспечения стабильного производства металлопродукции на уровне 130 млн. т. год в случае реализации сценария № 6 потребуется всего лишь 25 млн. т железа природного сырья, начиная с 2033 года.

 

Таблица 126. Потери железа в производственной сфере и при сборе металлолома

Параметр	Сценарий № 5	Сценарий № 6
Потери железа на конверторном маршруте	11	7
Потери железа на электросталеплавильном маршруте	7	3
Потери железа при металлообработке	3	1
Потери железа при подготовке амортизационного лома	15	6
Потери железа при сборе металлолома изделий
Краткосрочного потребления	40	5
Среднесрочного потребления	30	5
Долгосрочного потребления	55	5

 

Таблица 127. Параметры потребления железа металлопродукции для сценариев 5 и 6

Параметры потребления	Краткосрочная сфера	Среднесрочная сфера	Долгосрочная сфера
Продолжительность периода, лет	2	5	20
Доли каждой сферы в потреблении	25	30	45

 

Рисунок 68. Сравнение параметров сбора и технологических параметров

Важным параметром, влияющим на структуру потребления ресурсов, является наличие экспорта или импорта металлопродукции и металлолома. Очевидно, что экспорт металла из страны при прочих равных условиях, в том числе при одинаковом общем уровне производства металлопродукции, приводит к снижению потребления вторичных ресурсов и росту потребления природных ресурсов. Описанные выше сценарии № 1 - 6 не предусматривали экспорта или импорта металла в любом виде. Влияние экспорта рассмотрено в сценарии № 7 (таблица 128).

 

Таблица 128. Параметры экспорта металлопродукции для сценария № 7.

Год	Экспорт, млн.т.	Год	Экспорт, млн.т.
1984	7,35	1995	20
1985	7,84	1996	20
1986	8,33	1997	27
1987	8,82	1998	27,5
1988	9,31	1999	29
1989	9,8	2000	30,2
1990	10,2	2001	40,5
1991	11,6	2002	41,2
1992	14,6	2003	42
1993	15,5	2004	42
1994	16,3	2005…2040	42

 

Результаты расчетов приведены на рисунках 69 и 70. «Изъятие» из внутреннего потребления 42 млн. т металлопродукции, направляемой на экспорт, естественно, требует «компенсации» в виде затрат природных ресурсов. Таким образом, увеличение степени рециклинга влияет на структуру потребления ресурсов экономики ориентированной на экспорт в меньшей степени, чем для экономики, ориентированной на внутреннее потребление. В конкретном рассматриваемом случае сценария № 7 потребление природных и вторичных ресурсов начиная с 2009 года остается практически на одинаковом уровне.

Оптимизация сценариев. 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).

Рисунок 69. Изменение структуры потребления природных и вторичных ресурсов при учете экспорта металлопродукции по сценарию № 7.

 

Рисунок 70. Изменение объема металлофонда по сценарию № 7.

 

Рассматривались стабильные условия функционирования производственных мощностей, обеспечивающих ежегодное производство металлопродукции 120 млн. т/год в период 2011 - 2040 годы.

Диапазон изменения параметров:

1. Доля амортизационного лома, направляемого на переработку в электросталеплавильный маршрут, β_Э: 60 – 90 %;
2. Длительность пребывания изделий в сферах эксплуатации:

– Краткосрочной: 2 - 5 лет;

– Среднесрочной: 5 - 15 лет;

– Долгосрочной: 20 - 40 лет.

1. Потери при сборе амортизационного лома: 5 - 40 %.
2. Экспорт металлопродукции: до 42 млн. т/год
3. Импорт металлопродукции: до 5 млн. т/год
4. Экспорт металлолома: до 10 млн. т/год
5. Использование ресурсов депонирования (железо из ранее сформированных техногенных месторождений): до 3 млн. т/год.

Потери железа на стадиях производства, потребления и рециклинга изделий были приняты в соответствии с исходными условиями сценария % 6.

Общее количество проанализированных сценариев составило 28 624. Наилучшие сценарии, выбранные с использованием квазилексикографического упорядочивания, приведены в таблице 129.

 

Таблица 129. Наилучшие сценарии развития черной металлургии Японии по результатам квазилексикографического упорядочивания.

№	Критерии оптимизации			Фактор Накопле- Ния Приме- Сей	Срок эксплуатации		βЭ, %	Экспорт/импорт
	Затраты природных ресурсов, млн. т	Выбросы в ОС, млн. т	Затраты вторичных ресурсов, млн. т		Кратко- срочная сфера, годы	Средне- срочная сфера, годы		Продук- ции	Лома
21173	1208	653	2949	2,43	2	5	90	нет	импорт
22013	1216	700	2942	1,94	2	15	90	нет	нет
21175	1318	648	2730	2,42	2	5	90	нет	нет
22183	1337	652	2712	1,91	3	5	90	нет	нет
1	1327	761	3195	2,58	2	5	60	импорт	импорт
841	1339	810	3184	2,06	2	15	60	импорт	экспорт

Для всех лучших сценариев:

– Потери при сборе амортизационного металлолома составляют 5 % (минимально возможные);

– Срок эксплуатации изделий в долгосрочной сфере потребления – 20 лет;

– Потребление ресурсов депонирования - 3 млн. тонн/год – максимальное.

 

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Оптимизация по критериям минимальных затрат природных ресурсов и выбросов железа и максимальных затрат вторичных ресурсов не дает однозначно лучшего варианта решения задачи.

2. Наименьшие затраты природных ресурсов имеют место в случае максимально возможной загрузки электросталеплавильных мощностей для переработки амортизационного лома. При этом импорт лома обеспечивает лучшие показатели по расходу природных ресурсов, но при отсутствии импорта лома и максимальном сроке эксплуатации изделий среднесрочной сферы потребления имеет место низкий уровень накопления примесей в металлопродукции.

3. Минимальные выбросы в окружающую среду достигаются в случае максимально возможной загрузки электросталеплавильных мощностей для переработки амортизационного лома, при отсутствии импорта и экспорта металлопродукции и металлолома. Увеличение срока эксплуатации изделий краткосрочной сферы потребления всего лишь на один год позволяет существенно снизить уровень накопления примесей в металлопродукции.

4. Максимальный уровень переработки вторичных ресурсов, реализуемый как «самоцель» в условиях импорта металлопродукции и при полной загрузке всех мощностей по ее производству, не обеспечивает ни минимальных затрат природных ресурсов, ни минимальных выбросов в окружающую среду.

Прогноз развития черной металлургии России. Россия, также как и Япония, в настоящее время является страной с черной металлургией, продукция которой ориентирована на экспорт. Вместе с тем, Россия имеет принципиально другую структуру распределения металлопродукции по сферам потребления, причем насыщение краткосрочной сферы потребления производится за счет постоянно возрастающего импорта изделий. Кроме того, Россия продолжает оставаться страной, экспортирующей большое количество металлолома (таблица 130).

 

Таблица 130. Параметры экспорта и импорта металлопродукции и металлолома России

Год	Экспорт металлопродукции, млн.т.	Импорт металлопродукции, млн.т	Экспорт лома, млн.т.
1993	9,2	0,8	6,3
1994	11,4	1,2	10
1995	13,7	1,4	9,8
1996	15,9	1,6	10
1997	18,1	1,8	9,4
1998	12,6	2,1	8,3
1999	15,6	2,5	7,6
2000	22,0	2,9	6,9
2001	20,8	3,2	6,06
2002	23,8	2,9	6,7
2003	20,9	3,9	9,5
2004	23,1	4,0	13,5
2005	25,1	4,2	12,3
2006	27,7	3,9	9,6
2007	30,4	3,5	10,3
2008	32,1	4,0	9,3

Анализ информации проанализированных литературных источников позволяет сделать вывод о том, что подавляющее большинство специалистов в долгосрочных прогнозах развития черной металлургии России считает сохранение высокого уровня экспорта металлопродукции необходимым условием модернизации отрасли. По поводу использования ресурсов металлолома существуют различные точки зрения. Рассмотрим два наиболее вероятных сценария развития черной металлургии России на период до 2040 года. В обоих случаях в качестве обязательного условия принимаем достижение к 2030 году уровня и структуры внутреннего потребления металлопродукции, отвечающих передовым мировым стандартам (таблица 131). Также для обоих сценариев принимаем в качестве обязательного условия выполнение главного пункта директивы «3R» - обеспечение рециклинга 85 % металлопродукции, покидающей сферу потребления. Различия в сценариях заключаются в том, что в первом случае имеет место импорт металлолома на достигнутом в настоящее время уровне (сценарий 1Р), а во втором случае вторичные ресурсы железа потребляются внутри страны в соответствии с современными требованиями к эксплуатации и рециклингу стальных металлоизделий (сценарий 2Р). Основная информация необходимая для расчетов приведена в таблице 132 /579…587/.

Основные результаты расчетов приведены на рисунках 71…75.

Таблица 131. Параметры потребления металлопродукции, принятые в сценариях 1Р и 2Р.

Параметр потребления	Краткосрочная сфера	Среднесрочная сфера	Долгосрочная сфера
Продолжительность периода, лет	5	10	20
Доли каждой сферы в потреблении	25	30	45
Потери при сборе лома	15	15	15

 

Рисунок 71 - Изменение производства, внутреннего потребления и экспорта железа металлопродукции России в прогнозных сценариях.

Таблица 132. Параметры потребления ресурсов и производства металлопродукции, принятые в сценариях 1Р и 2Р.

Год	Ресурсы		Продукт
	Природных ресурсов, млн.т.	Вторичных (амортизационный металлолом), млн.т.	Всего	Конверторным (и мартеновским)  маршрутом	Электростале- плавильным маршрутом
1984	82,10	17,15	88,4	82,22	6,18
1985	83,13	17,46	89,6	83,31	6,29
1986	83,33	17,93	90,2	83,74	6,46
1987	87,07	18,25	93,8	87,23	6,57
1988	88,48	18,82	95,6	88,82	6,78
1989	85,75	19,22	93,5	86,58	6,92
1990	82,51	19,88	91,2	84,04	7,16
1991	64,93	20,60	76,2	68,79	7,41
1992	60,68	20,46	72,3	64,93	7,37
1993	52,01	14,09	58,9	50,31	8,59
1994	45,45	10,90	50,2	42,95	7,25
1995	49,59	11,69	54,6	46,92	7,68
1996	43,90	11,79	49,6	41,81	7,79
1997	38,71	11,76	45,3	37,24	8,06
1998	35,72	12,12	43,5	34,97	8,53
1999	33,47	17,66	45,6	37,65	7,95
2000	50,32	17,45	60,4	52,55	7,85
2001	47,82	16,69	57,5	49,99	7,51
2002	50,39	15,36	58,6	51,69	6,91
2003	55,46	13,34	61,3	55,30	6,00
2004	64,85	8,84	65,6	61,63	3,97
2005	65,22	8,99	66,1	62,05	4,05
2006	66,64	10,15	68,4	63,83	4,57
2007	67,48	10,10	69,1	64,55	4,55
2008	53,10	11,22	57,3	52,25	5,05

 

Рис. 72. Изменение приращения металлофонда железа России в период 1984 – 2040 гг.

Рис. 73. Изменение общего объема металлофонда железа России в период 1984 – 2040 г

 

Рисунок 74. Изменение потребления природных и вторичных ресурсов железа черной металлургией России согласно сценарию 1Р

 

Графики на рисунках 71…73 одинаковы для обоих рассматриваемых сценариев. Они отражают изменение внутреннего потребления, экспорта металлопродукции и структуры металлофонда железа при соблюдении исходных условий, обеспечивающих устойчивое развитие отечественной экономики и структуры социального потребления. Внутреннее потребление возрастает с 30-40 до 55 млн. т. Экспорт (точнее – разница между экспортом и импортом) монотонно возрастает с 30 до 42 млн. т. Обнаруживается тенденция стабилизации размеров металлофонда к 2045 году, как это имеет место в странах ЕС и Японии, организующих экономику по принципу «3R».

Рисунок 75. Изменение потребления природных и вторичных ресурсов железа черной металлургией России согласно сценарию 2Р

 

Главные отличия в анализируемых сценариях заключаются в оценке развития потребления ресурсов по электросталеплавильному маршруту. В первом случае к 2040 году в электропечах потребуется перерабатывать около 40 млн. т амортизационного металлолома, а во втором – около 60 млн. т (если в них не будет использоваться чугун либо другие шихтовые материалы, полученные из природного сырья). При этом по сценарию 2Р потребление природных ресурсов снизится в 2040 г. на 16 млн. т, а выбросы в окружающую среду – на 4 млн. т.

 

Использованные источники:

1. Brundtland, G. Н. Our common future / G. Н. Brundtland. UN report. 1987.

2. Реймерс, Н.Ф. Экология. Теории, законы, правила, принципы и гипотезы / Н.Ф. Реймерс. М.: Россия молодая, 1994. 367 с.

3. Акимова, Т.А. Экология / Т.А. Акимова, В.В. Хаскин. М.: ЮНИТИ, 1998. 455 с.

4. Алексеенко, В.А.. Экологическая геохимия: учебник / В.А. Алексеенко. М.: Логос, 2000. 627 с.

5. Чижикова, В.М. Основы экологии: курс лекций / В.М. Чижикова. М.: МИСиС, 1998. 102 с.

6. Карабасов Ю.С., Экология и управление. Термины и определения / Ю.С. Карабасов В.М. Чижикова, М.Б. Плущевский. М.: МИСиС, 2001. 255 с.

7. Карабасов, Ю.С. Экология и управление: учебник / Ю.С. Карабасов, В.М. Чижикова. М.: МИСиС, 2006. 708 с.

8. Юсфин, Ю.С., Промышленность и окружающая среда / Ю.С. Юсфин. Л.И. Леонтьев, П.И. Черноусов. М.: ИКЦ Академкнига, 2002. 469 с.

9. Небел, Б. Наука об окружающей среде / Б. Небел. М.: Мир, 1994. Т.1. 424 с.

10. Ревелль, П. Среда нашего обитания: книга 2 / П. Ревель., Ч. Ревель. М.: Мир, 1995. 270 с.