ЦИФРОВИЗИРОВАНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕПИ ПОСТАВОК ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО РЕЦИКЛИНГА ПЛАСТИКА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 004.94:658.7

Судоргин Д.М., Заходякин Г.В.

ЦИФРОВИЗИРОВАНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕПИ ПОСТАВОК ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО РЕЦИКЛИНГА ПЛАСТИКА

Судоргин Дмитрий Максимович — магистрант 1 -го года обучения кафедры логистики и экономической информатики; [email protected]

Заходякин Глеб Викторович — старший преподаватель кафедры логистики и экономической информатики ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

В данной статье сравниваются способы переработки пластиковых отходов: химический и механический рециклинг. С помощью компьютерного моделирования цепи поставок для химического и механического рециклинга пластиковых отходов оценивается экономическая эффективность этих способов. Приводятся результаты моделирования и выводы на их основе.

Ключевые слова: цепь поставок, отходы пластика, рециклинг пластика, химический рециклинг, моделирование цепи поставок.

COMPUTER-AIDED SUPPLY CHAIN DESIGN FOR CHEMICAL PLASTIC RECYCLING

Sudorgin D.M., Zakhodyakin G.V.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation

This paper compares two methods of recycling plastic waste: chemical and mechanical recycling. We consider the economic efficiency of chemical and mechanical recycling technologies using supply chain modeling approach. The paper discusses the modeling results and provides conclusions regarding the preferred supply chain option. Keywords: supply chain, plastic waste, plastic recycling, chemical recycling, supply chain design.

Введение

В связи с развитием химической промышленности перед человечеством встал ряд проблем. Одной из самых глобальных стала проблема утилизации бытовых отходов, в особенности — отходов пластика, время разложения которого составляет 100-400 лет в зависимости от типа. По данным Минприроды, ежегодно в России образуется около 70 млн тонн твердых коммунальных отходов, с ежегодным приростом 3%. Перерабатывается всего 5-7 % мусора, а остальное захоранивается [1]. Ежегодно в мире производится более чем 300 миллионов тонн пластика. Пластиковая упаковка обладает коротким жизненным циклом, в большинстве случаев используется один раз, после чего 95% упаковок выпадает из экономического цикла [2]. Это приводит к увеличению площади свалок и истощению ресурсов для производства пластика. Эти факторы послужили толчком к развитию вторичной переработки пластика. Термическое уничтожение пластмасс не является выходом, так как при сгорании синтетического материала выделяются канцерогенные вещества.

Остается единственный выход — рециклинг, который подразумевает вторичную переработку пластика. Существует два основных метода переработки полимеров и изделий, вышедших из употребления: механический рециклинг и химический рециклинг. Способы химического рециклинга пластиковых отходов представлены в таблице 1.

На экономическую целесообразность рециклинга влияют не только технологии переработки, но и логистика — сбор и подготовка сырья, доставка продукции до рынков сбыта. Переработка пластиковых отходов методов химического рециклинга находится на зачаточном уровне, что обусловлено ограничениями по доступности сырья. Пластиковые отходы образуются в результате утилизации упаковки и потребительских товаров, поэтому доступность пластиковых отходов как сырья связана с плотностью населения. В будущем химический рециклинг пластиковых отходов может стать важным источником сырья для производства нефтепродуктов и нефтехимии, и даже заменить в этих отраслях источники ископаемого сырья.

Таблица 1. Физико-химические способы переработки пластиковых отходов

Название метода Краткое описание

Гидролиз Этот метод утилизации пластиковых отходов заключается в расщеплении полимеров кислотами с одновременным воздействием на перерабатываемое сырье высоких температур. Наиболее распространенный способ рециклинга пластика за рубежом.

Гликолиз Переработка подразумевает применение гликолей - специальных спиртов. В состав этих спиртов входят гидроксильные группы.

Метанолиз Этот способ утилизации отходов заключается в глубокой полимеризации и расщеплении пластмасс с использованием этанола.

Пиролиз Термическая деструкция. То есть, разложение сырья с помощью термической обработки без доступа кислорода.

Моделирование цепи поставок для переработки пластиковых отходов

В данной работе используется интегральный подход, основанный на моделировании цепи поставок

(ЦП).

Логистическая цепь компании включает географически распределенные объекты, где приобретаются, преобразуются, хранятся или продаются сырье, незавершенная и готовая продукция и соединяющие эти объекты каналы распределения, по которым перемещается продукция.[3] При проектировании модели такой ЦП должны быть описаны источники сырья, технологии переработки, рынки сбыта и транспортные маршруты. Комплексные модели ЦП формируются по модульному принципу из стандартных блоков, соответствующих типовым моделям линейного программирования (производственная задача, транспортная задача, задача о назначениях), либо уравнениям баланса (объединение, разделение материальных потоков). В задачу обычно включаются решения об открытии и использовании производственных и логистических мощностей, которые являются задачами смешанного линейно-целочисленного программирования. [4].

Этапы работы над моделью:

1. Разработка концептуальной модели.

2. Сбор и подготовка данных.

3. Реализация модели с помощью программного инструмента (внесение данных о технологиях, потребителях, поставщиках, перевозчиках и т.д.).

4. Верификация модели и расчет сценариев.

5. Интерпретация результатов расчета сценариев.

Содержательная постановка задачи

проектирования цепи поставок для переработки пластиковых отходов может быть записана следующим образом.

Дано:

• Горизонт и периоды планирования.

• Множество продуктов.

• Множество рынков, на которых продукция предлагается покупателям и номинальный спрос.

• Множество потенциальных географических мест размещения объектов ЦП.

• Множество потенциальных единиц оборудования для производства различных продуктов.

• Спецификации (рецептура) продуктов — коэффициенты уравнений материальных балансов и коэффициенты использования ресурсов производства.

• Мощности поставщиков (источников сырья и материалов).

• Минимальный коэффициент загрузки установленного оборудования (мощностей).

• Параметры прямых (переменных) затрат — на производство, грузопереработку, транспортировку и закупку сырья.

• Цены на каждый продукт на каждом рынке в течение всего горизонта планирования.

• Связь между капитальными затратами и мощностью объекта ЦП.

• Связь между косвенными затратами и мощностью объекта ЦП.

Необходимо найти:

• Оптимальный вариант переработки пластиковых отходов.

• Необходимые производственные и складские мощности.

• Количество производимой и реализованной готовой продукции.

• Финансовые результаты.

В результате решения задачи неизвестные переменные (выбор вариантов производственных мощностей, материальные потоки и т. п.) принимают такие значения, чтобы выбранный экономический критерий эффективности, вычисленный на всем горизонте планирования, принял максимальное (минимальное) значение.

Цель управления цепями поставок состоит в минимизации общих логистических издержек при удовлетворении данного фиксированного спроса. Эти издержки могут включать: стоимость сырьевых материалов и других приобретений компании, внутренние и внешние транспортные издержки, инвестиции в оборудование, производственные затраты, затраты распределительных центров, затраты по содержанию запасов и другие виды издержек. [4]

На рис. 1 представлена блок схема альтернативных вариантов цепей поставок, на которой отображены материальные потоки, а также представлены параметры и переменные, которые необходимы для решения поставленной задачи. Модель включает различные варианты цепи поставок, так как при выборе той или иной технологии меняются и сырье, и потребители, а также изменяются условия производства. Модель была реализована с помощью инструмента IBM LogicNet.

В модели применяется однородное дискретное представление времени. Предполагается, что спрос удовлетворяется равномерно (продажи

производятся) в течение каждого периода планирования. Также следует отметить, что часть спроса может остаться неудовлетворенной, поскольку мощности объектов ЦП ограничены.

Для расчёта стоимости транспортировки, которая состоит из фиксированной ставки за пользование транспортным средством и переменной составляющей - стоимости 1 км пути, была использована модель линейной регрессии с использованием электронных таблиц Excel c пакетом «Анализа данных». В уравнении регрессии коэффициент для переменной X (расстояние транспортировки) отражает влияние транспортный тариф на 1 км пути. Для моделирования тарифов используется также и константа уравнения регрессии, которая отражает постоянную часть транспортного тарифа.

Сырье

Поставщик

Складирова ние сырья

Конкурирующие технологии

Продукт

Хранение продуктов

Доставка п родукта

Конечный потребитель

Пластмассы ^ биомасса

Пластмассы

Пластиковые бутылки (ПЭТФ)

Компания по утилизации ТБО

Механический * рециклинг

Пиролиз

Свои склады на заводе

Специальная компания

Гидролиз

Газификация

Полимеры пониженного качества

Синт. нефть

Парафины

Минеральные масла

На

предприятии

Цистерны

Контейнеры

Внутри страны

Танк-контейнеры

Синтез-газ (Метанол)

Параметры: ■ Количество

сырья • Возможность переработки тем или иным методом

Параметры;

Стоимость сырья с учетом доставки • Возможности удовлетворения спроса в сырье Качество сырья

Параметры;

• Выпускаемая продукция

• Технологические коэффициенты

• Затраты на запуск и работу линии

Переменные; Различные виды продукции в зависимости от технологии

Переменные: ■ Цена продажи

• Координаты

• Спрос на продукцию

Рис. 1. Блок схема альтернативных вариантов цепей поставок для переработки пластиковых отходов

Графическое отображение зависимости стоимости транспортировки от расстояния железнодорожным транспортом приведено на рис. 2.

Полученное нами уравнение для данной модели имеет вид:

у= 23,60*х + 69 829

Таким образом, при анализе данных было рассчитано, что постоянная часть тарифа составляет 69 829 рублей, а переменная - за 1 км пути, составляет 23,60 рублей.

На рис. 3 представлены укрупненные спецификации производимых из переработанного пластика продуктов различными методами.

120 000 100 000

• ^---

• у = 23,597х+69829

40000

20000

0 0

• цена доставки

500 1000 -Линейная (цена доставки)

1500 2000

Расстояние, км

При построении модели ЦП для переработки пластиковых отходов целевой функцией является «Максимизация прибыли». В этом случае найденное решение может не до конца удовлетворять спрос, если открытие линий или производство продукции будет экономически не выгодно. Были рассчитаны сценарии работы различных технологий переработки пластиковых отходов: газификация, пиролиз, гидролиз, механический рециклинг. Полученные результаты представлены в таблице 2.

Интерпретация результатов

Учитывая одинаковое масштабирование технологий, при сравнении полученных результатов, можно выделить пиролиз который отличается от гидролиза наименьшими затратами на производство в виду более дешевой технологии. Также эта технология выгоднее газификации и механического рециклинга тем, что у последних транспортировка конечного продукта обходится дороже и она наименее требовательна к исходному сырью.

Плюсом газификации является возможность использования всех видов пластмасс, не считая композитные материалы, минусом является получение синтез-газа как продукта, что требует либо дальнейшей переработки, либо более дорогой транспортировки.

Рис. 2. Зависимость стоимости транспортировки от расстояния

Рис. 3. Спецификация производимых из переработанного пластика продуктов

Таблица 2. Результаты моделирования

Технология Суммарные затраты на Затраты на Выручка, Чистая прибыль,

транспортировку, млн руб. производство, млн руб. млн руб. млн руб.

Газификация 23,8 89,0 120,0 7,2

Пиролиз 14,9 75,0 106,4 16,4

Гидролиз 14,9 80,6 106,4 10,8

Механический рециклинг 17,8 89,0 120,0 13,2

Из плюсов пиролиза можно выделить получение ряда основных углеводородов, которые можно использовать различными способами в нефтехимии. В дальнейшем этот способ может заменить традиционную добычу сырья из земных недр и достичь максимального количества циклов использования ресурсов. Минусом является не полный список перерабатываемых пластмасс на данном этапе.

Плюсом гидролиза является получение пластмассы из сырья после деполимеризации идентичной по качеству первичной. Однако недостатком технологии является относительная дороговизна производства ввиду необходимости постоянных закупок химических реагентов. Также эта технология позволяет перерабатывать крайне ограниченный список пластмасс.

Плюсом механического рециклинга можно считать простоту данной технологии, но минусом является получение низкокачественного продукта, который через несколько циклов все равно окажется на захоронении.

Выводы

Улучшение экологической ситуации требует внедрения новых технологий переработки пластиковых отходов, при этом в условиях рыночной экономики такой проект должен являться экономически целесообразным. Из представленных результатов

моделирования ЦП для переработки пластика можно сделать вывод, что наиболее выгодным является применение технологии пиролиза, хотя эта технология требует модернизации для увеличения ассортимента перерабатываемого сырья. Данный способ переработки показал не только наибольшую экономическую выгоду, но и высокий экологический потенциал, так как она может позволить приблизиться к цикличной экономике.

Список литературы

1. Мереминская И. Финансирование мусорной реформы из бюджета сократится // Ведомости [Электронный ресурс]. (Дата обращения 14.04.2021) Режим доступа: https://www.vedomosti.rU/economics/articles/2019/10/17/8 14026- finansirovanie-reformi

2. В поисках пластика [Электронный ресурс]. (Дата обращения 14.04.2021) Режим доступа: https://greenpeace.ru/wpcontent/uploads/2020/03/Greenpea ce-plastic-pollution-report.pdf

3. Шапиро Дж. Моделирование цепи поставок/Пер. с англ. Под ред. В.С. Лукинского - СПб.: Питер, 2006.720 с.: ил.

4. Бочкарев А. А. Планирование и моделирование цепи поставок: Учебно-практическое пособие. — М.: Альфа-Пресс, 2008. — 192 с.