Применение искусственного интеллекта в цифровой экономике

По сложности и многокомпонентности вещественного состава отходы теплоэлектростанций (ТЭС) соответствуют техногенным месторождениям, которые в настоящее время возможно перерабатывать известными обогатительными методами с извлечением ценных компонентов и использованием полученных продуктов для нужд национальной экономики.

Основная проблема освоения техногенных отвалов теплоэлектростанций (ТЭС) – это отсутствие в России перспективных технологий, позволяющих их перерабатывать безотходным способом, как, например, в Германии все золошлаки на 100% перерабатываются, что не требует дополнительных площадей для их хранения.

В настоящее время в России разработаны, но при этом имеют ограниченное применение такие технологии переработки золошлаков, как мокрая магнитная сепарация и флотация. Указанные технологии позволяют обеспечить эффективное извлечение оксидов алюминия, оксидов железа, а также угольного недожога. Это позволило получить эколого-экономический эффект за счет реализации дополнительной товарной продукции и снижения платы за размещение твердых отходов в размере свыше 72 млн руб. в год.

В России на текущий момент времени на угольном топливе функционирует 172 ТЭС. В их золошлаках находится порядка 1,5 млрд т золошлаковых отходов (ЗШО) [17].

По данным ЗАО «АПБЭ», площадь золоотвалов достигает 28 тыс. га. При этом утилизируется и используется не более 8% (1,5– 2,1 млн т) годового выхода ЗШО (около 30 млн т). Если данная тенденция сохранится, то к 2020 году объем накопленных ЗШО может превысить 1,8 млрд т.

По экспертным оценкам, затраты на содержание 1 т ЗШО составляет от 400 до 700 руб., или 5–7% себестоимости производства электроэнергии и тепла на угольной ТЭС. Объем инвестиций в реконструкцию одного золоотвала может достигать 1 млрд руб. Стоимость строительства 1 золоотвала – 2–4 млрд руб.

В течение 3–5 лет переполнение ЗШО приобретет массовый характер, и данный процесс уже начался.

Возникает риск ограничения мощности угольных генераций и вывода их из энергетического баланса. По данным Росстата, стоимость Экибастузского угля составляет 410 руб. без учета НДС. Его зольность составляет 40–48%, у Кузнецкого угля – 15–40%. Рефтинская ГРЭС имеет замкнутую гидравлическую систему золоудаления. Складирование золы осуществляется на золоотвале № 2, площадью 992 га в 4,5 км от ГРЭС. Годовой выход золошлаков 5 млн т. Золоотвал № 1 площадью 450 га заполнен и выведен из работы, ведутся работы по его рекультивации [11].

В целях решения вышеуказанных проблем в ходе проведения авторских научных исследований был разработан новый способ борьбы с техногенными отходами на основе принципа обогащения минерального сырья, который был запатентован в Российской Федерации [17]. Устройство для осуществления указанного способа использует адаптивные компьютерные программы и алгоритмы нейронных сетей, также является частью патента [17]. Авторами патента были поставлены и решены следующие основные задачи:

–

разработано устройство для обогащения минерального сырья, простого по конструкции и эксплуатации, не предъявляющего жестких требований к чистоте воды;

–

реализована возможность применения программных алгоритмов оценки загрязнения воды;

–

использована теоретическая возможность применения искусственного интеллекта для оценки содержания химических элементов и плотности полезного компонента в водной смеси;

–

доказана высокая эффективность за счет непрерывной работы устройства, поскольку не требуется временных и трудовых затрат на сбор и эвакуацию полезного компонента;

–

осуществлено существенное снижение металло

– и материалоемкости;

–

минимизированы временные и трудовые затраты на монтаж и демонтаж оборудования, что повышает мобильность используемого оборудования общую экономическую эффективность функционирования устройства.

В ходе проведенного эксперимента решался ряд дополнительных задач, таких как:

–

систематизация современных технологий и принципов работы имеющихся устройств по обогащению минерального сырья;

–

изучение требований подготовки минерального сырья и его транспортировки к устройствам по его обогащению;

–

обобщение мирового опыта по обогащению минерального сырья;

–

анализ негативных последствий, присущих технологиям и устройствам по обогащению минерального сырья, устранение которых может потребовать существенных изменений конструкции обогатительной установки;

–

анализ специфики образования месторождений полезных ископаемых (драгоценных металлов, аллювиальных россыпей), а также гидрографии рек;

–

изучение особенностей течения двухфазных потоков, а также образования меандров на реках.

В рамках проведенного автором теоретического исследования и практического эксперимента, результатами которых стала разработка устройства для обогащения минерального сырья [17], также изучалась работа гидротранспорта, принципы проведения гидравлических расчетов систем напорного гидротранспорта, поведение частиц твердой фазы на его криволинейных участках.

В результате изучения, систематизации и анализа всей имеющейся информации [11, 53] определился следующий путь к достижению поставленных задач: использовать физические процессы, наблюдаемые в напорном гидротранспорте, который широко применяется в современных технологиях обогащения в целях транспортировки минерального сырья, обратив особое внимание на физические процессы, происходящие с пульпой на его криволинейных участках. На криволинейном участке пульпопровода в результате наличия вторичного поперечного течения происходит изменение траектории движения частиц твердой фазы пульпы, которые в зависимости от своей плотности определенным образом перемещаются по боковой поверхности внутреннего радиуса этого участка.

В данной научной работе предлагается авторский способ переработки техногенных отходов теплоэлектростанций путем обогащения минерального компонента и сырья по плотности частиц твердой фазы полезного компонента. Данный способ основан на использовании физических процессов, происходящих при протекании пульпы по криволинейному участку трубопровода [17]. Механизм воздействия потока на частицу твердой фазы при транспортировке пульпы приводит к возникновению одного из трех возможных видов ее движения:

–

скольжение или волочение частицы по нижней стенке пульпопровода;

–

взвешивание в потоке с обратным падением;

–

устойчивое перемещение частицы во взвешенном состоянии.

В данном исследовании внимание уделено первому виду движения частиц твердой фазы, который создает на нижней стенке пульпопровода подвижный слой указанных частиц. Высота подвижного слоя зависит от средней скорости потока, крупности и плотности частиц твердой фазы, а также консистенции потока пульпы. Гранулометрический анализ по граничной крупности находящихся в пульпе частиц твердой фазы позволяет разделить их на две группы. Первая группа частиц твердой фазы в смеси с водой образуют суспензию, способную транспортировать вторую группу более крупных частиц.

На криволинейном участке пульпопровода в результате наличия вторичного поперечного течения (парных вихрей), которое, накладываясь на поступательное движение пульпы, приводит к изменению траектории движения частиц твердой фазы подвижного слоя. Вид траекторий движения частиц твердой фазы по внутренней стенке трубы криволинейного участка пульпопровода зависит от их плотности: чем меньше плотность частицы, тем выше ее траектория движения относительно нижней стенки трубы. Указанные частицы твердой фазы полезного компонента плотности через щель в боковой внутренней стенке криволинейного участка пульпопровода поступают в приемную емкость.

Предлагаемый способ реализован в запатентованном турбулентно-вихревом концентраторе (ТВК), содержащем соединенную с нагнетателем пульпы подводящую трубу, из которой пульпа поступает в криволинейный участок трубы, сообщающийся с приемником отделяемых из пульпы частиц твердой фазы с заданной плотностью полезного компонента [17].

Устройство отличается тем, что пульпа поступает в криволинейный участок трубы, на котором в результате наличия вторичного поперечного течения происходит изменение движения подвижного слоя частиц с заданной плотностью полезного компонента.

В настоящее время на устройстве турбулентно-вихревого концентратора может применяться автоматизированная система управления технологическими процессами, что полностью исключает участие человека. Проведенные полевые испытания показали, что данное устройство позволяет достичь высокой эффективности за счет его непрерывной работы, малой металлоемкости, минимальных временных и трудовых затрат на монтаж и демонтаж, а также снизить до минимума временные и трудовые затраты на подготовку и оборудование места, что позволит получить экономический эффект функционирования устройства и улучшить экологическую обстановку территорий.

В настоящем времени авторами патента продолжается работа над разработкой программного обеспечения и программных комплексов осуществления мониторинга получаемого потока данных на территории Свердловской области, что позволит в дальнейшем использовать возможности нейронных сетей глубокого обучения в целях оптимизации, управления и оценки всего рассматриваемого технологического процесса, а также редукции полученных с различных техногенных отвалов данных. Это, по нашему мнению, позволит повысить точность и оперативность оценивания состояния окружающей среды, а следовательно, и эффективность приминаемых управленческих и экологических решений.

Анализ мирового опыта показывает, что проблема повышения эффективности экономики любой страны или отдельно взятой отрасли становится в последнее время еще более актуальной в контексте истощения природных ископаемых, возникновения парникового эффекта, а также всевозрастающие потребности человечества в энергоресурсах. Интеграция цифровой экономики и информационных технологий в рамках реализации концепции Smart City, включающей в себя такой элемент, как smart-экология, признается экспертным сообществом одним из наиболее актуальных и в Российской Федерации.

Проблема переработки и утилизации техногенных отходов российской промышленности связана не только с реализацией экологических инновационных проектов и с охраной окружающей среды [23]. Образование указанных отходов является также показателем нерационального использования природных ресурсов, запасы которых находятся на грани истощения. В этой связи проблема утилизации техногенных компонентов является актуальной эколого-экономической задачей [59].

Следует отметить, что в процессе эксплуатации напорного гидротранспорта при транспортировке золошлаков, которые относятся к материалам высокой абразивности, происходит износ центробежного насоса и трубопроводов, оказывает влияние с течением времени и коррозия пульпопроводов, что приводит к изменению параметров, характеризующих поток пульпы, основными из которых являются следующие:

–

скорость течения пульпы в трубопроводе;

–

количество перемещаемой по трубопроводу твердой фазы;

–

высота подвижного слоя твердой фазы на нижней стенке трубопровода;

–

параметры траекторий движения частиц твердой фазы на криволинейном участке трубопровода.

Все указанные изменения могут оказать негативное влияние на эффективность и качество работы устройства по отделению частиц твердой фазы по заданной плотности. Исходя из вышеуказанного, ИИ способен, используя разработанные алгоритмы, учесть и спрогнозировать возможные изменения условий протекания пульпы по времени и устранить их влияние на эффективность работы устройства и качество разделения частиц твердой фазы полезного компонента по плотности путем изменения параметров щели. В зависимости от необходимости ИИ может корректировать работу по извлечению полезных компонентов заданной плотности на двух и более устройствах, расположенных на одном пульпопроводе с учетом меняющихся с течением времени параметров протекания пульпы.

По нашему мнению, предлагаемый в статье комплекс инновационных мер и воздействий дает возможность снизить уровень вредного экологического воздействия за счет использования новых технологий, альтернативных способов очистки, применения искусственных нейронных сетей. Авторский метод позволяет решить острую проблему переработки техногенных отвалов теплоэлектростанций (ТЭС) безотходным способом [80, 96].

Рассматриваемое в статье устройство относится к группе изобретений в сфере обогащения полезных ископаемых из рудных пульп и может быть применено в целях переработки и обогащения минерального материала, содержащего цветные, редкие, благородные металлы и неметаллические полезные вещества, а также при очитке сточных вод от твердого компонента, других серьезных загрязнений и нефтепродуктов [85]. Указанные авторские технологии позволяют обеспечить эффективное извлечение оксидов алюминия, оксидов железа, а также угольного недожога. Это дает возможность получить эколого-экономический эффект за счет реализации дополнительной товарной продукции и снижения платы за размещение твердых отходов.