Сравнительная оценка природоемкости карьерных автосамосвалов и дизель-троллейвозов

УДК 622.013.364.2

О.Е. Шешко

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРИРОДОЕМКОСТИ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ И ДИЗЕЛЬ-ТРОЛЛЕЙВОЗОВ

Аннотация. Приведена сравнительная оценка природоемкости карьерных автосамосвалов и дизель-троллейвозов. Автомобильный транспорт, являющийся основным видом транспорта глубоких карьеров в настоящее время, является, также и основным загрязнителем окружающей среды. В мире работает более 120 дизель-троллейвозов, машин, работающих на дизельном топливе и на элекроэнергии. Приведены данные о величинах вредных выбросов в атмосферу как автосамосвалов, так и дизель-троллейвозов. Показано, что сумма отношений концентраций вредных выбросов к их предельно допустимым значениям, как для автосамосвалов, так и дизель-троллейвозов возрастает при увеличении глубины карьера, при работе дизель-троллейвозов общий объем вредных выбросов более чем в два раза меньше. Приведена энергетическая эффективность автосамосвалов и дизель-троллейвозов. Показано, что применение дизель-троллейвозов дает незначительное увеличение коэффициента полезного использования энергии. При экономическом сравнении экономия может быть только в эксплуатационных затратах на дизельном топливе.

Ключевые слова: карьерные самосвалы, дизель-троллейвозы, экологическая и экономическая эффективность машин, глубина карьера, энергетическая эффективность транспортных машин, коэффициент полезного использования энергии.

За последние десятилетия значительно усложнились условия эксплуатации технологического автомобильного транспорта из-за увеличения глубины карьеров и концентрации производства, что обуславливает поиск путей уменьшения как затрат на транспортирование горной массы, так и природоемкости.

Основным видом технологического транспорта в глубоких карьерах в настоящее время остается автомобильный, который используется для транспортирования примерно 80% всей горной массы в мире. При этом доля затрат на автотранспорт часто превышает 60% в себестоимости добычи полезного ископаемого, а доля вредных выбросов в атмосферу, приходящаяся на транспорт, превышает 50% [1].

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-119-125

Вместе с тем, мобильность, маневренность, независимость от источников энергии, автономность работы автосамосвалов обуславливают нежелание предприятий менять транспортную систему, даже когда автотранспорт работает не в зоне своего эффективного применения. Увеличение грузоподъемности автосамосвалов, создание автосамосвалов на гусеничном ходу не смогут существенно изменить ситуацию [2].

Наиболее перспективным вариантом замены автосамосвала в этих условиях представляется применение дизель-троллейвозов. В мире работают более 120 дизель-троллейвозов: автосамосвалов, оснащенных двумя системами привода — от электродвигателя и от двигателя внутреннего сгорания. Проявляют

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 6. С. 119-125. © О.Е. Шешко. 2018.

интерес к дизель-троллеивозам и карьеры [3]. Известно, что при эксплуатации дизель-троллеИвозов увеличивается скорость движения по уклону (при -70—80% с 10—12 км/ч у автосамосвалов до 22— 24 км/ч у дизель-троллеИвозов), производительность машин (на 23—25%) и коэффициент технической готовности, снижается расход дизельного топлива на 15—30% (в зависимости от степени электрификации трассы) и количество машин для вывоза требуемого грузопотока [4, 5, 6].

Сравним несколько подробнее ущерб, наносимый воздушной среде и расход природных ресурсов при применении автомобильного и дизель-троллейвозно-го транспорта.

Для примера был взят автосамосвал БелАЗ-7513, который в настоящее время работает на Сорском карьере и дизель-троллейвоз на базе автосамосвала БелАЗ-7513 при степени электрификации трассы 85%.

Средние расчетные величины концентрации вредных веществ

в атмосфере карьера различной глубины при эксплуатации автомобильного и дизель-троллейвозного транспорта показаны на рис. 1.

Из приведенных данных следует, что применение дизель-троллейвозов положительно скажется на воздушной среде рабочей зоны карьера: количество вредных выбросов уменьшается более чем в 2 раза. При этом количество машин уменьшится на 10—15% [7].

Затраты природного капитала можно оценить расходом энергии. Можно выделить несколько вариантов расчета при оценке расхода энергии различными видами транспортных средств карьеров. Один из них заключается в переводе расхода дизтоплива автосамосвалами из натуральных единиц (г, кг) в кДж или кВт  ч путем умножения на удельную теплоту сгорания дизтоплива Одт [8]. При этом несколько занижаются показатели автомобильного транспорта, так как сравнивается дизтопливо (источник энергии приближенный к сырой нефти) и электроэнергия, вырабатываемая на тепловых и гидроэлектростанциях.

IS

<и

Т. f

5 о

S »С Я ев

ез О.

н S а» Я Я о

а.

со са н

сJ

<и

3

<и ей

S й 2 2 я

U ч

ш

а. са

о я

п 2

4 Я а? Я — си

с 5

X g

Я

* S

S. 3

а> S

А Я

а н

я у

Я

5 о §4

м

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

С

0,2 ОД

С

О

о 74J a IJtA

a

о, 56^1

0,

0, a 3

,?5 1

a,

,)5 x

дизель-троллейвоз

-И-Ряд2

автомобиль

L 2 3 4 5 6

Глубина карьера 1-100 м, 2-200 м, 3-300 м

Рис. 1. Концентрация вредных веществ в атмосфере карьеров различной глубины при эксплуатации автомобильного и дизель-троллейвозного транспорта

Fig. 1. Concentration of hazardous substances in air in open pit mines of different depth during operation of dump trucks and diesel trolley cars

При другом подходе расход электроэнергии приводится к расходу дизтопли-ва путем умножения на коэффициент, характеризующий удельный расход диз-топлива на выработку 1 кВт  ч электроэнергии на дизельных электростанциях. При этом завышается энергоемкость электрифицированных видов транспорта, так как основной объем электроэнергии горнодобывающие предприятия получают с электростанций, работающих на природном газе, угле и мазуте.

Более объективным можно считать приведение расхода электроэнергии и дизельного топлива к расходу первичных энергоресурсов, т.е. к «условному топливу» (у.т.), с учетом соответствующих затрат энергии на их добычу, переработку и транспортирование. В отечественной практике в качестве «условного топлива» используется так называемый угольный эквивалент — 7000 ккал (29,3 МДж) — теплота, которая выделяется при сжигании 1 т высококачественного угля.

В качестве критерия для условий глубоких карьеров рационально принять величину удельных затрат энергии на подъем 1 т горной массы из карьера.

Приведение фактических затрат энергии к расходу первичных энергоресурсов (у.т.) осуществляется с использованием следующих выражений

Р. = ё'к к к , Р. = га'к к к

ф.а. ° пер т д ф.э. э пот д

где Рфа, Рфэ — удельные затраты условного топлива на подъем 1 т горной массы на 1 м, соответственно, при работе от дизельного топлива и от контактной сети, г у. т./т  м; g — удельный расход дизтоплива, г/т  м; га' — удельный расход электроэнергии, кВт  ч/т  м; кпер — коэффициент, учитывающий затраты энергии на получение дизтоплива из нефти, (кпер = 1,18-1,20); кд — коэффициент, учитывающий затраты энергии на добычу и транспортирование топлива, (кд = = 1,04-1,10); кт — коэффициент, учиты-

вающий разницу удельной теплоты сгорания дизельного и условного топлива, (кт = 1,5); кэ — коэффициент, учитывающий затраты условного топлива на получение 1 кВт  ч электроэнергии (кэ = 310-330 г/кВт  ч); кпот- коэффициент, учитывающий потери электроэнергии при

передаче и распределении (к «1,09) [9]. пот

Тогда коэффициент полезного использования энергии можно получить в виде

П = (Рт /Рф 0„)*100%

где Рт — теоретически необходимые затраты энергии Рт = 9,81 кДж/т  м; Рф — фактические затраты энергии данным видом транспорта, г у. т./т  м; 0ут — удельная теплота сгорания условного топлива, кДж/г (0у.т. = 29,3 кДж/г).

Для расчета были приняты условия Сорского карьера по добыче медно-мо-либденовых руд, глубина которого составляет около 400 м.

Узким местом в технологическом процессе горного производства Сорско-го карьера является технологический транспорт. Неудовлетворительная работа транспорта во многом объясняется тем, что глубина карьера и дальность транспортирования горной массы превысили границы эффективной работы большегрузных автосамосвалов. Особенно тяжелые условия сложились для транспортирования руды: длина транспортирования составляет «9,3 км.

Так, при расчете по первому варианту коэффициент использования энергии, принимая удельный расход топлива при работе автомобильного транспорте, qт = = 150 г/ткм; теплоту сгорания 1 кг дизельного топлива, 0дт = 44,8 кДж/г; величину подъема в грузовом направлении, Нп = 35—40 м на 1 км длины, то средние удельные затраты энергии при автотранспорте определятся:

еа, = 9т0д, 7 Нп = 0,192—0,168 МДж/тм

Показатель полезного использования энергии дизельного топлива при этом составит:

П = e / e х100 = 5,16-5,83%

1а.т т а.т 11

(в среднем 5,5%) Учитываем, что при движении в таких условиях дизель-троллейвоза дизель обеспечивает движение только 10—40% времени рейса (в зависимости от степени электрификации трассы), а остальное время работает на холостых оборотах для поддержания систем передачи. Принимая в среднем, что дизель обеспечивает движение дизель-троллейвоза «25% времени рейса и удельные затраты электрической энергии автосамосвалом eэ равными 1,3 кВт  ч/т  км и добавляя 15—20% расхода дизельного топлива на холостой ход, имеем

e — (3,600e /Н) х 0,75 + + (дт 0дт) / Нп) X 0,25 х 1,15 =

= 0,135—0,155 МДж/тм П = e /e х100 = 6,3—7,2%

'д.т т д.т

(в среднем 6,75%) Эти расчеты показывают, что показатель использования энергии при исполь-

зовании дизель-троллейвоза в среднем более чем на 20% выше, чем у автосамосвалов.

Для получения более точных данных, не занижая показателей ни одного вида транспорта, был проведен поэлементный расчет затрачиваемой энергии для трассы Сорского ГОКа для определения коэффициента использования энергии.

Расход электроэнергии и дизельного топлива приводился к расходу первичных энергоресурсов, т.е. к «условному топливу» (у.т.), с учетом соответствующих затрат энергии на их добычу, переработку и транспортирование. Расчет был проведен для автосамосвалов БелАЗ-7517, БелАЗ-7513 и БелАЗ-7558, а также дизель-троллейвозов на их базе. Результаты расчета приведены на рис. 2. Коэффициент использования энергии для автосамосвалов получены равным: 6,10 для автосамосвалов БелАЗ-7558 (грузоподъемностью 90 т), 6,15 для автосамосвалов БелАЗ-7513 (грузоподъемностью 130 т) и 6,2 для БелАЗ-7518 (грузоподъемностью 160 т).

X

01 S

S

-е--е-

m О

ас

6,8 6,7 6,6 6,5 6,4 6,3 6,2 6,1

6,77Ж

6 6i J Ж

6,4( j

Уз;

6, 27 I /

6 ll

-#-Ряд1 q=90 т

-«-Ряд2 q=160п

-*-РядЗ q=130 т

0,2 0,4 0,6 0,8

Степень электрификации трассы

1,2

Рис. 2. Коэффициент полезного использования энергии при работе дизель-троллейвозов в зависимости от степени электрификации трассы карьера

Fig. 2. Energy efficiency of diesel trolley cars depending on the degree of electrification of routes in open pit mine

Показатели энергетической эффективности дизель-троллейвозного транспорта на карьерах черной металлургии

Energy efficiency of diesel trolley cars in open pit mines in the iron and steel industry

Карьер Степень электрификации трассы Удельный расход Показатели энергетической эффективности

gaT> г/т • км юдт, кВт/т • км Рф.дт, г у.т./т • м п, %

Костомукшский 52 51,8 0,28 5,29 6,3

Ингулецкий 76 29,5 0,29 4,43 7,6

«Малый Куйбас» (ММК) 64 44,5 0,32 5,39 6,2

№ 21 Донского ГОКа 75 42,0 0,39 4,90 6,8

Карагайский ОАО «Магнезит» 68 40,1 0,40 5,07 6,6

Из приведенных данных видно, что при поэлементном расчете результаты несколько отличаются от приведенных выше.

При очень высокой степени электрификации трассы (почти нереальной) коэффициент использования энергии дизель-троллейвозов больше чем у автосамосвалов на 6,5—7,5%, а при степени электрификации трассы 80% (высокая степень электрификации трассы) — уже на 5,2—6,6%.

При степени электрификации трассы «60% эта величина уже составляет 2—3%.

Предпроектные проработки величины коэффициента полезного использования энергии при работе дизель-троллейвозов для ряда карьеров показаны в таблице [10].

Как видно из таблицы, результаты поэлементного расчета во многом совпадают с данными таблицы.

Таким образом, сильного увеличения показателя использования энергии при применении дизель-троллейвозов ожидать не приходится.

При сравнении экономических показателей при автомобильном и дизель-троллейвозном транспорте необходимо учитывать, что хотя затраты на дизель-троллейвоз не более, чем на 5—10% больше, чем аналогичного автосамосва-

ла, затраты на создание инфраструктуры карьера (подстанции, троллейные линии) достаточно велики: в пересчете на 1 км трассы составляют более 850 тыс. евро [11, 12, 13]. Таким образом, экономия на машинах не покрывает затрат на создание инфраструктуры. Что касается эксплуатационных затрат, то здесь можно ожидать экономию по затратам на топливо.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение дизель-троллейвозов вместо автосамосвалов на карьерах приводит к существенному улучшению только состояния воздушной среды карьера, так как общий объем вредных выбросов уменьшается более чем в два раза.

Расход первичных ресурсов энергии уменьшается незначительно: при степени электрификации трассы «60—65% (наиболее вероятный вариант) примерно на 2—3%.

Капитальные затраты на дизель-троллейвозы, хотя и меньше, чем на автосамосвалы в аналогичных условиях, но создание инфраструктуры для дизель-троллейвозов, как правило, превосходит эту экономии. Некоторую выгоду можно иметь только на эксплуатационные затраты на дизельное топливо при современном соотношении цен.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гридин В. Г., Калинин А. Р., Кобяков А. А. и др. Экономика, организация, управление природными и техногенными ресурсами: Учебное пособие / Под ред. А.А. Кобякова, В.А. Харчен-ко. — М.: Изд-во «Горная книга», 2012. — 752 с.

2. Шешко О. Е. Перспективы снижения негативного воздействия карьерного автомобильного транспорта на окружающую среду // Научный вестник МГГУ. — 2012. — № 4 (25). — С. 96—101.

3. Harter M., Schipper T., Zwirello L., Ziroff A., Zwick T. Detection of overhead contact lines with a 2D-digital-beamforming radar system for automatic guidance of trolley trucks (Article). — International Journal of Vehicular Technology. — Vol. 2013, Article number 914351.

4. Key J. Mining Technology in Palabora — Mine Australia Magazine, 2003, no 3.

5. Obaid R.R., Ahmad R.H. Conference Record — IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society). — 2009, Article number 5324888.

6. Trolley renaissance (Article) Mining Magazine. — Vol. 199, Issue 2, August 2008, Pp. 16— 20+22—25.

7. Gao Z., Finney C., Daw C., LaClair T. J., Smith D. Comparative Study of Hybrid Powertrains on Fuel Saving, Emissions, and Component Energy Loss in HD Trucks (Article). — Vol. 7, Issue 2, 1 October 2014.

8. Методика расчетов вредных выбросов (сбросов) для комплекса оборудования открытых горных работ (на основе удельных показателей). Национальный научный центр горного производства, Институт горного дела им. А.А. Скочинского. — Люберцы. 1999. — 68 с.

9. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. — М.: Недра, 1986. — 231 с.

10. Ворошилов Г.А., Лель Ю. И. Энергоемкость транспортных систем карьеров: оценка и перспективы // Горная техника. — 2009. — № 1. — С. 42—49.

11. Лель Ю.И., Мусихина О.В. Энергетика карьерного транспорта // Инновационный транспорт. — 2011. — № 1. — С. 34—39.

12. Степук О. Г., Зуенок А. С. Дизель — троллейвозный транспорт БЕЛАЗ: Перспективы и исполнения в горном производстве // Горный журнал. — 2013. — № 1. — С. 52—55.

13. Галкин В. И., Шешко Е. Е. Перспективы развития транспортных систем в глубоких карьерах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — СВ 1. — С. 369—379. ti^

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Шешко Ольга Евгеньевна — кандидат экономических наук, доцент, Институт экономики и управления промышленными предприятиями, НИТУ «МИСиС», e-mail: osheshko@mail.ru.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 6, pp. 119-125.

Comparative assessment of environmental impact of dump trucks and diesel trolley cars in open pit mining

Sheshko O.E., Candidate of Economical Sciences,

Assistant Professor, e-mail: osheshko@mail.ru,

Institute of Economics and Management of Industrial Enterprises,

National University of Science and Technology «MISiS»,

119049, Moscow, Russia.

Abstract. The article presents a comparative assessment of the environmental impact of dump trucks and diesel trolley cars operated in open pit mining. Motor transport is currently the main mode of transportation in deep open pit mines and the major pollutant of the environment. More than 120 diesel trolley cars, driven by diesel fuel and electricity, operate presently in the world. The data on hazardous emission of dump trucks and diesel trolley cars are reported. It is shown that sum of ratios of hazardous emission to their maximum allowable concentrations increases both for dump trucks and diesel trolley cars as mining

is advanced to deeper levels though in case of diesel trolley cars, the total volume of hazardous emission is more than twice as little as in operation of dump trucks. According to the data on energy efficiency, diesel trolley cars also have a little better index. Economically, saving is only achievable in terms of operating cost of diesel fuel.

Key words: dump trucks, diesel trolley cars, ecological and economic efficiency, open pit mine depth, energy efficiency, transport machinery.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-119-125

REFERENCES

1. Gridin V. G., Kalinin A. R., Kobyakov A. A. Ekonomika, organizatsiya, upravlenie prirodnymi i tekhnogen-nymi resursami: Uchebnoe posobie. Pod red. A.A. Kobyakova, V.A. Kharchenko [Economics, organization, and management of natural and technogenic resources: Educational aid. Kobyakov A.A., Kharchenko V.A. (Eds.)], Moscow, Izd-vo «Gornaya kniga», 2012, 752 p.

2. Sheshko O. E. Perspektivy snizheniya negativnogo vozdeystviya kar'ernogo avtomobil'nogo transporta na okruzhayushchuyu sredu [Prospects of reducing of the negative impact of the open pit automobile transport at the environment]. Nauchnyy vestnik MGGU. 2012, no 4 (25), pp. 96-101. [In Russ].

3. Harter M., Schipper T., Zwirello L., Ziroff A., Zwick T. Detection of overhead contact lines with a 2D-digital-beamforming radar system for automatic guidance of trolley trucks (Article). International Journal of Vehicular Technology. Vol. 2013, Article number 914351.

4. Key J. Mining Technology in Palabora. Mine Australia Magazine, 2003, no 3.

5. Obaid R. R., Ahmad R. H. Conference Record IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society). 2009, Article number 5324888.

6. Trolley renaissance (Article) Mining Magazine. Vol. 199, Issue 2, August 2008, Pp. 16-20+22-25.

7. Gao Z., Finney C., Daw C. , LaClair T. J., Smith D. Comparative Study of Hybrid Powertrains on Fuel Saving, Emissions, and Component Energy Loss in HD Trucks (Article). Vol. 7, Issue 2, 1 October 2014.

8. Metodika raschetov vrednykh vybrosov (sbrosov) dlya kompleksa oborudovaniya otkrytykh gornykh rabot (na osnove udel'nykh pokazateley) [The method of calculation of harmful emissions (discharges) for the complex equipment of open mining works (based on specific indicators)], Lyubertsy, National scientific centre of mining production, Institute of Mining named after A.A. Skochinskogo, 1999, 68 p.

9. Tangaev I. A. Energoemkost' protsessov dobychi i pererabotki poleznykh iskopaemykh [Energy intensity of the processes of extraction and treatment of minerals], Moscow, Nedra, 1986, 231 p.

10. Voroshilov G. A., Lel' Yu. I. Energoemkost' transportnykh sistem kar'erov: otsenka i perspektivy [Energy intensity of transport systems of open pits: assessment and prospects]. Gornaya tekhnika. 2009, no 1, pp. 42-49. [In Russ].

11. Lel' Yu. I., Musikhina O. V. Energetika kar'ernogo transporta [Energy of open pit transport]. Innovat-sionnyy transport. 2011, no 1, pp. 34—39. [In Russ].

12. Stepuk O. G., Zuenok A. S. Dizel' trolleyvoznyy transport BELAZ: Perspektivy i ispolneniya v gornom proizvodstve [Diesel electric truck transport BELAZ: Perspectives and performances in the mining industry]. Gornyyzhurnal. 2013, no 1, pp. 52—55. [In Russ].

13. Galkin V. I., Sheshko E. E. Perspektivy razvitiya transportnykh sistem v glubokikh kar'erakh [Prospects for the development of taransport systems in deep open pits]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byul-leten'. 2018, pp. 1, pp. 369—379. [In Russ].

^_

ОТ РЕДКАЦИИ

В Горном информационно-аналитическом бюллетене № 4, 2018 в статье авторов Носенко А.С., Исакова В.С., Домницкого А.А., Зубова В.В. «Разработка погрузочно-транспортных модулей в составе тоннелепроходческого оборудования» на с. 189, 237 допущена техническая ошибка. Приносим авторам свои извинения.

№ стр. Опубликовано Должно быть

189, 237 Носенко А.С., Домницкий А.А., Зубов В.В. Носенко А.С., Исаков В.С., Домницкий А.А., Зубов В.В.