谷振宇 刘 飞 任 凡

重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆,400044

0 引言

制造过程是产品生命周期中直接消耗资源和产生环境污染的重要阶段。为了减小制造过程对环境的影响,提高制造过程的环境友好性,促进绿色制造在产品制造阶段的实施,需要一种有效的分析方法对产品制造过程的资源与环境影响进行定量的分析和评价。

为了定量分析制造过程对环境的影响,Choi等[1]提出了单元过程的概念。在此基础上,文献[2-4]研究了机械加工过程对环境的影响,并提出了量化分析方法,但其研究对象是机械加工过程,难以应用于对其他制造过程的评价。文献[5-6]基于物质守恒的思想,通过对单元过程输入输出的分析来评价制造过程对环境的影响,但未结合排放物所产生的环境效应进行环境影响分析。Li等[7]提出一种用于评价制造过程对环境影响的EIE(environmental impact evaluation)模型,该模型通过分析制造过程对不同环境效应的潜在影响来计算制造过程对生态和人类健康的危害分数。刘江龙[8]提出用环境负荷(environmental loading value,ELV)来评价制造过程对环境的影响,并提出了环境负荷的计算方法。但这些研究大多依据自己提出的参考标准,适合对制造过程的单独评价,难以把制造过程和产品其他生命周期过程结合起来进行有效的定量分析。

生态指示器99(Eco-indicator 99)[9]是用于定量分析和评价产品在生命周期中的环境特性的一种有效工具。但是,生态指示器99主要关注的是产品构成材料的生态系统损害值。对于制造过程而言,其对环境的影响受实际工艺操作过程的影响较大,需要针对现场情况进行计算。同时,为了便于把产品的制造过程对环境的影响集成到产品设计中来,采用生态指示器99对产品设计方案的环境友好性进行分析,制造过程对环境的影响值应与生态指示器99兼容。

鉴于此,本文在借鉴现有研究成果和总结前期研究工作的基础上,对制造过程的环境影响量化分析方法进行了研究。基于生态指示器99,综合考虑不同排放物对环境效应的影响和不同环境效应的危害程度,提出了一种制造过程环境影响分析模型,并通过对电器开关柜电镀过程的分析进行验证说明。

1 制造过程的环境影响分析模型

1.1 制造过程环境影响分析的数学描述

在产品制造过程中,任一单元的制造过程(Pj)都可能产生排放物(W1,W2,…,Wi,…,Wn),每一种排放物(Wi)都可能对不同类型的环境效应(C1,C2,…,Ck,…,Cm)产生影响(其影响程度值为xik)[10]。不同排放物对某种环境效应的影响程度不同,如果采用排放物Wk作为评价Ck类环境效应的参考排放物(即单位Wk对Ck的影响程度值为1),则可令Wi对Ck产生的环境影响相对于Wk对Ck的相对影响权值为sik。同时,假设Wi的量化值为Qi,于是Pj的排放物对某一环境效应(Ck)产生的影响Ak为

不同环境效应对生态和环境影响作用程度不同,为了提高分析结果的客观性,可令不同环境效应的加权因子为βk,则该单元过程(Pj)的环境影响值(Ij)可以表示为

则制造过程的环境影响值为

将式(1)和式(2)代入式(3)可得单元制造过程的环境影响定量分析模型：

1.2 基于生态指示器99的单元制造过程环境影响值的计算方法

参照生态指示器99,单元制造过程的环境影响值的计算过程可划分为4步,如图1所示。

图1 单元制造过程的环境影响值的计算过程

1.2.1 单元制造过程的环境影响清单分析

清单分析的目的是分析单元制造过程的排放物类别以及不同排放物对各种环境效应的影响,以便于进一步分析制造过程对环境的影响。排放物的环境影响分析示意图[11]见图2。具体排放物类别及相应的环境效应需要结合具体制造过程进行分析。

图2 制造过程的环境影响清单分析

1.2.2 清单数据量化

定量分析制造过程对环境影响的关键在于需要对制造过程排放物进行量化。为了解决不同工艺同一排放物的排放标准不同以及不同排放物的评价量纲不同的问题,本文采用区间分析法(interval analysis method)[10]进行分析。

假设一个单元制造过程(Pj)产生的排放物W=(W1,W2,…,Wi,…,Wn),它们的现场测量值E=(E1,E2,…,Ei,…,En),国家或行业允许最大排放标准值 V=(V 1,V2,…,Vi,…,Vn)。为了计算Ei相对Vi的度量值Qi,把[0,Vi)划分为10个区间,每个区间分别对应一个1～10之间的整数值,如表1所示。如果Ei大于Vi,则Qi取10。由于Ei是现场测量的值,因此Ei是一个在区间[ai,bi]上服从某种分布的随机变量。假设其密度函数为 f i(x),则Ei落在各区间的概率为

因此,Wi的量化值Qi为

Qi=Pi1+2Pi2+…+10Pi10

表1 环境影响程度等级划分

另一方面,对于缺乏权威的环境排放评价标准或排放数据难以采集的排放物,则通过对现场工作状况的描述,采用10分制评分方法,由相关专家评分进行量化处理,并将之区分为不同的等级[12],如表1所示。采用专家评分方法,每个工艺过程的评价结果都是10分制的量纲一的值,可以直接与采用区间分析法的值进行叠加分析。

1.2.3 相对影响权值sik及加权因子βk

相对影响权值sik代表一种排放物(Wi)对某一环境影响类别(Ck)产生的影响相对于标准参考排放物(Wk)对该类环境影响(Ck)所产生的环境影响的系数。例如,评价温室效应的标准参考排放物是二氧化碳(CO2)。甲烷(CH 4)和碳四氟(CF4)对温室效应的影响分别是CO2的23倍和5700倍,因此CH4和CF 4的相对影响权值分别是23和5700[13]。多种主要排放物的相对影响权值参见文献[13]。

不同环境效应对生态和环境的影响程度不同。例如,臭氧层损耗相对于温室效应对生态和人类的影响就严重得多。加权因子βk的作用就是用于评价不同环境影响所产生的危害程度。参考生态指示器99和文献[12],确定本文中参考的各种环境效应的加权因子如表2所示。

表2 环境效应的加权因子

1.3 制造过程的环境影响分析

分析制造过程对环境影响的目的是通过对比分析不同制造过程的环境影响值,找到在产品生产过程中对环境影响较大的环节,分析其产生的原因,以便采取有效的手段降低制造过程对环境的影响。根据式(5),建立单元制造过程的环境影响矩阵如表3所示。

表3 单元制造过程的环境影响矩阵

根据表3可以从以下三个方面对单元制造过程的环境影响进行评价：

(1)综合值评价。通过对不同单元制造过程的环境影响值(I)的对比分析,可以发现制造过程中环境影响最严重和有待改进的环节：

Imax=max(Ij) j=1,2,…,t

2 案例分析

某高低压成套工业电器生产企业在高低压成套电器开关柜柜体的生产过程中,为了提高柜体的耐蚀、耐磨性能,采用硫酸盐镀锌方法对柜体进行了电镀操作。其工艺流程如下：脱脂 →磷化 →电镀 →钝化。下面采用文中提出的方法对电镀过程对环境的影响进行分析。

电镀过程的排放物中主要有脱脂废水、磷化废水、电镀废水、硫酸雾等,其主要污染物、国家排放标准及排放经验值如表4所示。

表4 电镀过程的主要排放物

排放物的环境效应如图3所示。

图3 电镀过程主要排放物的环境效应

在实际应用中,要明确密度函数 fi(x),需要根据大量样本进行分析。本例中为了验证文中提出方法的可用性并简化计算,假定 f i(x)在[ai,bi]上服从均匀分布,即

那么,排放物锌的密度函数为

表5 电镀过程的环境影响矩阵

3 结束语

本文针对制造过程对环境的影响分析中参考评价标准各异,难以进行有效的定量分析等问题,提出了一种制造过程环境影响分析模型。该模型的特点是：参照生态指示器99,通过引入相对影响权值和加权因子,并采用区间分析法对排放物进行量化,消除了不同工艺过程的环境排放因子的差异和量纲问题,使得制造过程中各环节的环境影响值可以直接进行数据叠加;通过建立制造过程的环境影响矩阵,对各工艺过程的环境影响评价结果进行综合评价和对比分析,可以为制造过程环境友好性的改善提供数据参考;制造过程环境影响值与生态指示器99兼容,便于把产品的制造过程环境影响集成到产品设计中,提高产品设计方案的环境友好性。

[1] Choi A,Kaebernick H,Lai W H.Manufacturing Processes Modeling for Environmental Impact Assessment[J].Journal of Materials Processing Technology,1997,70(1/3)：231-238.

[2] Munoz A,Sheng P.An Analytical Approach for Determining the Environmental Impact of Machining Processes[J].Journal of Materials Processing Technology,1995,53(3/4)：736-758.

[3] Dahmus J B,Gutowski T G.An Environmental Analysis of M achining[C]//2004 ASME Proceedings of International Mechanical Engineering Congress.Anaheim,2004：1-10.

[4] Gutowski T,Dahmus J,Dalquist S.Measuring the Environmental Load of Manufacturing Processes[C]//Proceedings of International Society for Industrial Ecology(ISIE).Stockholm,2005：12-15.[5] Tadeusz F.An Environmental Assessment Method for Cleaner Production Technologies[J].Journal of Cleaner Production,2007,15(10)：914-919.

[6] 江志刚,张华,肖明.制造过程资源消耗和环境影响分析模型及应用[J].系统工程理论与实践,2008(7)：132-137.

[7] Li C P,Hui I K.Environmental Impact Evaluation M odel for Industrial Processes[J].Environmental Management,2001,27(5)：729-737.

[8] 刘江龙.绿色制造过程的定量评价方法研究[J].机械工程学报,2002,38(7)：58-61.

[9] Goedkoop M,Eff ting S,Collignon M.The Ecoindicator 99-A Damage Oriented Method for Life Cycle Impact Assessment-manual for Designers[M].Netherlands：Ministry of Housing,Spatial Planning and the Environment,2000.

[10] Hui I K.An Environmental Assessment Model Applied to Printed Circuit Board Manufacturing[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2007,32(7/8)：834-842.

[11] Kevin N O,Kristin L W.Product Design[M].齐春萍,宫晓东,张帆,等,译.北京：电子工业出版社,2005.

[12] 曹华军,刘飞,阎春平,等.制造过程环境影响评价方法及其应用[J].机械工程学报,2005,41(6)：163-167.

[13] Labouze E.Study on External Environmental Effects Related to the Life Cycle of Products and Services[R].France：Bio Intelligence Service,European Commission,2003.