На правах рукописи
ЗАКОЛОДИНА Татьяна Вячеславовна
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ
ФОСФОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
НА ОСНОВЕ КОНЦЕПЦИИ CALS
05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации
(химическая технология, нефтехимия и биотехнология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2008
Работа выполнена в Учебно-научном центре «CALS-химия»
Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ» (ФГУП «ИРЕА»)
Научный руководитель:
Бессарабов доктор технических наук, профессор Аркадий Маркович
Официальные оппоненты:
Меньшиков доктор технических наук, профессор Владимир Викторович (ОАО «НИИЛКП») доктор технических наук Глухан Елена Николаевна (ФГУП «ГосНИИОХТ»)
Ведущая организация Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Защита состоится « 23 » декабря 2008 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 217.034.01 в ФГУП “Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ” (107076, г. Москва, ул. Богородский вал, д. 3, конференц-зал).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ИРЕА».
Автореферат разослан " 21 " ноября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 217.034.01, кандидат технических наук Жданович О.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы.
С учетом роста добычи полезных ископаемых объемы образующихся и накапливаемых промышленных твердых отходов в России достигли такого высокого уровня, что принимаемые Правительством РФ меры по увеличению количества перерабатываемых отходов представляются более чем необходимыми, хотя и несколько запаздывающими и не вполне достаточными. Рассматриваемые нами промышленные отходы фосфорной промышленности составляют ядро проблемы охраны окружающей среды на заводах-изготовителях в России, Казахстане, Европе, и Америке.
Эффективное решение проблем утилизации отходов фосфорной промышленности требует использования методов системного анализа и самых современных информационных технологий. Наиболее перспективной компьютерной системой управления и обработки информации является CALS-технология (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта).
Разработка методологии системного анализа утилизации отходов фосфорной промышленности с созданием соответствующего комплекса информационных CALS-технологий является актуальной научной и практической задачей, обеспечивающей информационную поддержку и интеграцию процессов жизненного цикла, а также возможность использования электронных данных для управления качеством продукции.
Основные разделы диссертации выполнялись в рамках конкурсных проектов Минпромэнерго России № 0410.0810000.05.039д «Разработка индикаторов инновационного развития химического научно-промышленного комплекса России» и № 0410.0810000.06.014д «Интегрированная оценка инновационных ресурсов…», Минобрнауки России № 01.168.24.074 «Разработка интегрированного комплекса информационных технологий …» и Минпромторга России № 8411.0816900.13.057 «Комплексная оценка инновационного потенциала промышленных предприятий…», а также при поддержке гранта Европейского Сообщества ECOPHOS № INCO-CT-2005-013359 «Утилизация отходов в промышленности фосфорной кислоты…».
Цель работы состоит в разработке на основе международных CALSстандартов (ISO-10303 STEP) методологии системного анализа и стандартизированной информационной модели утилизации отходов фосфорной промышленности. Работа включает в себя следующие комплексы задач:
• системный анализ инновационных ресурсов фосфорной промышленности, способствующих утилизации отходов;
• разработка на основе концепции CALS типовой информационной модели маркетинговых исследований утилизации отходов фосфорной промышленности;
• разработка CALS-проекта гибкого производства фосфорсодержащих соединений (продуктов утилизации фосфорного шлама);
• разработка системы компьютерного менеджмента качества на примере ассортимента фосфорной кислоты различных квалификаций.
Научная новизна.
Разработана иерархическая структура системного анализа утилизации отходов фосфорной промышленности, включающая в себя следующие направления: анализ сырьевой базы фосфорных производств; анализ ассортимента и объемов выпуска продукции фосфорной промышленности; анализ основных производителей и потребителей продукции фосфорной промышленности; анализ основных видов и объемов отходов фосфорной промышленности.
Проведен системный анализ фосфорной промышленности в рамках структуры химического комплекса: химическая и нефтехимическая промышленность (135 предприятий); отрасли химического комплекса (в том числе промышленность минеральных удобрений); основные подотрасли промышленности минеральных удобрений (в том числе фосфорная промышленность); основные предприятия фосфорной промышленности (15 предприятий); основные виды продукции фосфорной промышленности.
Проведены исследования динамики инновационных ресурсов предприятий фосфорной промышленности за 1995-2007 гг. в следующих сечениях: финансирование по основным направлениям инновационного развития; объемы выпуска по видам инновационной продукции; балльная оценка основных результатов инновационной деятельности и основных факторов, препятствующие инновационному развитию.
Для основных видов целевых продуктов фосфорной промышленности (фосфорсодержащих удобрений, фосфорной кислоты, желтого фосфора) проведен анализ комплекса проблем, связанных с образованием отходов: виды отходов фосфорной промышленности; объемы накопленных и вновь образующихся отходов; современные методы и технологии, применяемые для утилизации.
Разработана методология и структура информационной модели маркетинговых исследований утилизации отходов фосфорной промышленности в рамках концепции CALS. Предложены основные категории: «Анализ рынка сырья и переработки», «Анализ технологии переработки отходов», «Анализ рынков продуктов утилизации отходов». Для каждой категории верхнего уровня проведен комплексный маркетинговый анализ в соответствующих подкатегориях.
Для наиболее перспективного метода утилизации отходов – «вторичной переработки», рассмотрены три индивидуальные схемы рециклинга фосфорного шлама в следующие целевые продукты: фосфит натрия, гипофосфит натрия, двухосновный фосфит свинца. Для каждой индивидуальной технологии разработана структура информационной CALS-модели.
На основе теории синтеза гибких многоассортиментных химикотехнологических систем проведен анализ индивидуальных схем с целью организации их по гибкому принципу. Рассматриваемые производства проанализированы по двум основным признакам сходства: технологическому и химическому. Результаты системного анализа позволили синтезировать гибкую трехпродуктовую технологию фосфита натрия, гипофосфита натрия и двухосновного фосфита свинца. Для гибкой технологии разработана структура информационной CALS-модели.
Разработана архитектура информационной CALS-системы компьютерного менеджмента качества ассортимента фосфорной кислоты различных квалификаций и типовая компьютерная процедура контроля качества получаемых фосфорных кислот особой чистоты, включая анализ лимитируемых примесей, методы их пробоподготовки и анализа, а также выходную техническую документацию.
Практическая значимость.
По результатам системного анализа для ведущих 15 предприятий фосфорной промышленности России проведена оценка объемов отходов, подлежащих утилизации.
Разработаны программные CALS-проекты:
• системы маркетинговых исследований утилизации отходов фосфорной промышленности;
• индивидуальных технологий получения фосфита натрия, гипофосфита натрия и двухосновного фосфита свинца – продуктов переработки фосфорного шлама;
• гибкой трехпродуктовой технологии утилизации фосфорного шлама;
• системы компьютерного менеджмента качества ассортимента фосфорной кислоты различных квалификаций.
Самостоятельное практическое значение, подтвержденное соответствующими актами о внедрении, имеют переданные в научно-производственные организации (ЗАО «Аврора-ИТ», ООО НПФ«ВИНАР» и «НПО Проект»), информационные комплексы КМК-систем и CALS-проекты технологий утилизации.
Программные модули CALS-проекта утилизации отходов фосфорной промышленности вошли в результаты работы по гранту Европейского Сообщества ECOPHOS № INCO-CT-2005-013359.
Полученные результаты вошли в конкурсные проекты: Минпромэнерго № 0410.0810000.05.039д и № 0410.0810000.06.014д; Минобрнауки № 01.168.24.074; Минпромторга РФ № 8411.0816900.13.057.
Личный вклад автора.
Проведен системный анализ фосфорной промышленности, включающий анализ основных видов и объемов отходов, подлежащих утилизации. Разработана методология и CALS-технология системы маркетинговых исследований утилизации отходов фосфорной промышленности. Разработаны индивидуальные схемы (фосфита натрия, гипофосфита натрия и двухосновного фосфита свинца) и гибкая трехпродуктовая CALS-технология переработки фосфорного шлама. Разработана система компьютерного менеджмента качества ассортимента фосфорной кислоты различных квалификаций.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в журналах «Нефтепереработка и нефтехимия», «Приборы (и автоматизация)», сборниках научных трудов «Успехи в химии и химической технологии», а также докладывались и обсуждались на 18th International Congress of Chemical and Process Engineering (Prague, Czech Republic, 2008); 11 th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction (Prague, Czech Republic, 2008); 6th European Congress of Chemical Engineering (Copenhagen, Denmark., 2007); 17th European Symposium on Computer Aided Process Engineering (Bucharest, Romania, 2007); 20, 21, 22-й Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТМКХТ-2007, МКХТ-2008 (Москва, 2006; 2007; 2008); 19, 20, 21-й Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии», Реактив-2006, Реактив-2007, Реактив- (Уфа, 2006, 2008; Минск, 2007); Международной конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2006); 7, 8-й Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (Уфа, 2006, 2007, 2008); 20, 21-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ-20, ММТТ-21 (Ярославль, 2007; Саратов, 2008); 13-й конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение»
(Н.Новгород, 2007); 5-й Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация» (Иваново, 2008); 12-й Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии – 2008» (Волгоград, 2008).
Публикация результатов исследования.
По теме диссертации опубликована 21 научная печатная работа, из них статей (2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК) и 16 тезисов докладов на международных конференциях. Общий объем опубликованных работ – 4,5 печатных листа.
Структура и объём диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы (142 наименования) и приложения, включающего акты внедрения результатов работы. Диссертация изложена на 172 страницах, включая 53 рисунка и 10 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Для решения проблем, связанных с утилизацией накопленных и вновь образующихся отходов фосфорной промышленности, необходимо провести комплекс исследовательских работ направленных на оценку состояния отрасли и перспективы ее развития. В рамках гранта Европейского Сообщества ECOPHOS «Утилизация отходов в промышленности фосфорной кислоты через разработку экологически устойчивых и экологически безопасных процессов для широкого класса фосфорсодержащих продуктов» был проведен анализ материальных потоков фосфорной промышленности по целевой продукции и отходам производства, подлежащим утилизации.Было показано, что основными потребителями продукции фосфорной промышленности являются важнейшие отрасли народного хозяйства: промышленность минеральных удобрений, пищевая промышленность, промышленность химических реактивов и др. Поэтому, в последнее время фосфорная промышленность является одной из наиболее прибыльных и финансово-устойчивых отраслей химического комплекса. Но данное развитие несет и отрицательные черты. Наиболее остро сейчас стоит проблема, связанная с утилизацией отходов.
Утилизация отходов тесно связана с производственными показателями отрасли в целом. Поэтому первым этапом наших исследований явился комплекс работ по системному анализу производственных ресурсов ведущих предприятий фосфорной промышленности. Работы проводились по контрактам Минпромэнерго № 0410.0810000.05.039д и Минпромторга РФ № 8411.0816900.13.057.
Глава 1. Системный анализ производственных ресурсов фосфорной Проведенный системный анализ показал, что химический комплекс Российской Федерации в настоящее время является одним из базовых сегментов российской промышленности. Он включающих в себя более 750 крупных и средних предприятий, на которых работает около 800 тыс. человек. Нами рассматривались 135 ведущих предприятий химического комплекса, в том числе 15, относящихся к фосфорной промышленности (рис. 1).
Рис. 1. Системный анализ фосфорной промышленности в рамках химического комплекса России.
На основании разработанной методологии проведен системный анализ фосфорной промышленности в рамках структуры химического комплекса (рис.
1): химическая и нефтехимическая промышленность (135 предприятий); отрасли химического комплекса (в том числе промышленность минеральных удобрений); основные подотрасли промышленности минеральных удобрений (в том числе фосфорная промышленность); основные предприятия фосфорной промышленности (15 предприятий); основные виды продукции фосфорной промышленности.
Проведен анализ полученной информации по всем 15 предприятиям фосфорной промышленности (рис. 1), общая мощность которых составила в 2007 г.
около 2,5 млн. тонн фосфорных удобрений (рис. 2-а). Показано, что основной объем производства (более 80%) сосредоточен на следующих 4 предприятиях:
"Аммофос" (Череповец), "Балаковские минеральные удобрения" (Балаково-18), "Воскресенские минеральные удобрения" (Воскресенск), "Фосфорит" (Кингисепп). На этих же предприятиях сосредоточен основной объем вырабатываемой в РФ фосфорной кислоты (рис. 2-б).
Объемы производсьва (тыс. тонн) Фосфорная кислота (тыс. тонн) Рис. 2. Динамика производства (1991-2007 гг.) по фосфорной промышленности (а); динамика производства (2003-2007 гг.) фосфорной кислоты на ведущих предприятиях (б); отходы фосфорной промышленности (в).
Анализ динамики производства экстракционной фосфорной кислоты (рис.
2-а) показал, что, как и в производстве фосфорных удобрений с 1991 года наблюдался резкий спад в производстве. Однако, производство экстракционной фосфорной кислоты уже с 2004 года превышает уровень производства 1991 г (в отличие от промышленности фосфорных удобрений) и продолжается стабильное наращивание мощностей.
На основании полученных данных был проведен анализ вновь образовавшихся отходов за период с 1991-2007 гг. На (рис 2-в) приведены данные об объемах отходов (фосфогипса и фосфорного шлама) на 1 тонну готового продукта. Объемы отходов рассмотрены для трех видов готовой продукции: суперфосфата простого из фосфоритов Каратау, экстракционной фосфорной кислоты и желтого фосфора.
Для построения полной модели утилизации отходов проведен анализ инновационных ресурсов фосфорной промышленности (работа проводилась совместно с м.н.с. ФГУП «ИРЕА» Квасюком А.В.). В качестве информационной базы использовались сведения об инновационной деятельности за 1995- гг., предоставленные ведущими предприятиями отрасли фосфорной промышленности. Данные были представленны в Минпромторг (Минпромэнерго) РФ в качестве ежегодной статистической отчетности по форме «4-инновация».
Проведенный анализ изменения объемов финансирования инноваций на предприятиях, производящих фосфорсодержащую продукцию показал (рис. 3-а), что общая величина затрат имеет тенденцию к повышению в 1995-2005 годах, а в 2007 произошел спад в двух наиболее ресурсоемких направлениях – на производственное проектирование, а также на приобретение машин и оборудования. При этом средние величины затрат колеблются от 6-8 млн. в год на исследования и разработки до 38-44 млн. на производственное проектирование.
О бъем затрат (м л н руб) 3-а. Объемы затрат по основным направле- 3-б. Объемы выпуска по основным видам ниям инновационной деятельности. инновационной продукции.
Рис. 3. Динамика изменения индикаторов инновационного развития фосфорной промышленности за 1995-2007 гг.
Следует отметить, существенное изменение распределения по основным видам инновационной продукции за 1995-2007 гг. (рис. 3-б). Если по 1995 г. в общем объеме инноваций преобладала усовершенствованная продукция (остальные виды в несколько раз меньше), то в 2007 г. различные виды инновационной продукции практически соизмеримы.
Проведен анализ качественных показателей инновационного развития включающий в себя две группы оценок: факторы, препятствующие инновациям и влияние результатов инновационной деятельности на развитие предприятий.
Они представляются в виде 4-х балльных оценок: 3 – наивысшая степень влияния показателя, 2 – средняя, 1 – незначительная или малосущественная, 0 – отсутствие влияния. Проведенное нами усреднение балльных оценок позволяет получить величину конкретного показателя для сравнительного анализа.
В результате обработки балльных оценок рассчитана значимость основных факторов, препятствующих инновациям на предприятиях фосфорной промышленности (рис. 4-а). Среди этих факторов наиболее значимыми оказались: недостаток собственных денежных средств (рейтинг ~ 2,7) и низкий спрос на новые продукты (2,5). В то же время, недостаток квалифицированного персонала и информации о новых технологиях не оказывали сильного воздействия (рейтинг составляет соответственно 1,3 и 1,4).
4-а. Оценка основных факторов, препятст- 4-б. Оценка основных результатов инновавующих инновациям. ционной деятельности.
Рис.4. Динамика качественной оценки инновационной деятельности фосфорной промышленности за 2000-2007 гг.
Проведен анализ основных результатов инновационной деятельности за период 2000-2007 гг. (рис.4-б). Внедрение инноваций оказало наиболее существенное влияние на улучшение качества и расширение ассортимента продукции (рейтинг 2,5 балла и выше). Обеспечение соответствия стандартам и улучшение условий труда в меньшей степени (от 1,5 до 2,2 баллов) повлияли на развитие предприятий фосфорной промышленности. Однако, влияние инноваций на снижение загрязнения окружающей среды (ОС) оценено руководителями предприятий как незначительное (0,5 – 1,0 балла). Это пренебрежение экологическими проблемами отрасли и приводит к огромному количеству накопленных отходов фосфорной промышленности.
Показано (рис. 2-в), что в качестве твердого отхода производства фосфорной кислоты и одного из основных видов минеральных удобрений простого суперфосфата образуется фосфогипс. Но если на 1 т готового простого суперфосфата образуется: 0,7-0,8 т фосфогипса, то при производстве экстракционной фосфорной кислоты отходы фосфогипса гораздо больше ~ 2,5-5,4 т. Так же проанализирован один из самых агрессивных отходов фосфорной промышленности – фосфорный шлам. Накапливающиеся ежегодно миллионы тонн отходов фосфорной промышленности требуют системного решения проблемы утилизации.
Глава 2. Маркетинговое исследование утилизации отходов фосфорной промышленности на основе концепции CALS.
При разработке информационной модели утилизации отходов фосфорной промышленности сделан вывод, что CALS-технологии и CALS-стандарт ISOSTEP наиболее приемлемы для решения проблемы стандартизации информации на всех этапах жизненного цикла производимой продукции: маркетинг, проектирование, производство, эксплуатация (ремонт) и реализация (сбыт).
По первому этапу был проведен анализ работ в области маркетинговых исследований (рис. 5). Показано, что подавляющее большинство исследований относиться к потребительской сфере. Что касается технологий утилизации отходов химических производств, то в этой области практически отсутствуют маркетинговые исследования.
Рис. 5. CALS-проект «Структура маркетинговых исследований утилизации отходов фосфорной промышленности».
Отсутствие теоретических обобщений привело к необходимости разработки методологии системного анализа и типовой информационной CALSсистемы маркетинговых исследований утилизации отходов фосфорной промышленности. Исследования структурированы по трем категориям: «Анализ рынка сырья и переработки», «Анализ технологии переработки отходов», «Анализ рынков продуктов утилизации отходов».
«