基于生態指示器99的制造過程環境影響分析模型

谷振宇 劉 飛 任 凡

重慶大學機械傳動國家重點實驗室,重慶,400044

0 引言

制造過程是產品生命周期中直接消耗資源和產生環境污染的重要階段。為了減小制造過程對環境的影響,提高制造過程的環境友好性,促進綠色制造在產品制造階段的實施,需要一種有效的分析方法對產品制造過程的資源與環境影響進行定量的分析和評價。

為了定量分析制造過程對環境的影響,Choi等[1]提出了單元過程的概念。在此基礎上,文獻[2-4]研究了機械加工過程對環境的影響,并提出了量化分析方法,但其研究對象是機械加工過程,難以應用于對其他制造過程的評價。文獻[5-6]基于物質守恒的思想,通過對單元過程輸入輸出的分析來評價制造過程對環境的影響,但未結合排放物所產生的環境效應進行環境影響分析。Li等[7]提出一種用于評價制造過程對環境影響的EIE(environmental impact evaluation)模型,該模型通過分析制造過程對不同環境效應的潛在影響來計算制造過程對生態和人類健康的危害分數。劉江龍[8]提出用環境負荷(environmental loading value,ELV)來評價制造過程對環境的影響,并提出了環境負荷的計算方法。但這些研究大多依據自己提出的參考標準,適合對制造過程的單獨評價,難以把制造過程和產品其他生命周期過程結合起來進行有效的定量分析。

生態指示器99(Eco-indicator 99)[9]是用于定量分析和評價產品在生命周期中的環境特性的一種有效工具。但是,生態指示器99主要關注的是產品構成材料的生態系統損害值。對于制造過程而言,其對環境的影響受實際工藝操作過程的影響較大,需要針對現場情況進行計算。同時,為了便于把產品的制造過程對環境的影響集成到產品設計中來,采用生態指示器99對產品設計方案的環境友好性進行分析,制造過程對環境的影響值應與生態指示器99兼容。

鑒于此,本文在借鑒現有研究成果和總結前期研究工作的基礎上,對制造過程的環境影響量化分析方法進行了研究。基于生態指示器99,綜合考慮不同排放物對環境效應的影響和不同環境效應的危害程度,提出了一種制造過程環境影響分析模型,并通過對電器開關柜電鍍過程的分析進行驗證說明。

1 制造過程的環境影響分析模型

1.1 制造過程環境影響分析的數學描述

在產品制造過程中,任一單元的制造過程(Pj)都可能產生排放物(W1,W2,…,Wi,…,Wn),每一種排放物(Wi)都可能對不同類型的環境效應(C1,C2,…,Ck,…,Cm)產生影響(其影響程度值為xik)[10]。不同排放物對某種環境效應的影響程度不同,如果采用排放物Wk作為評價Ck類環境效應的參考排放物(即單位Wk對Ck的影響程度值為1),則可令Wi對Ck產生的環境影響相對于Wk對Ck的相對影響權值為sik。同時,假設Wi的量化值為Qi,于是Pj的排放物對某一環境效應(Ck)產生的影響Ak為

不同環境效應對生態和環境影響作用程度不同,為了提高分析結果的客觀性,可令不同環境效應的加權因子為βk,則該單元過程(Pj)的環境影響值(Ij)可以表示為

則制造過程的環境影響值為

將式(1)和式(2)代入式(3)可得單元制造過程的環境影響定量分析模型：

1.2 基于生態指示器99的單元制造過程環境影響值的計算方法

參照生態指示器99,單元制造過程的環境影響值的計算過程可劃分為4步,如圖1所示。

圖1 單元制造過程的環境影響值的計算過程

1.2.1 單元制造過程的環境影響清單分析

清單分析的目的是分析單元制造過程的排放物類別以及不同排放物對各種環境效應的影響,以便于進一步分析制造過程對環境的影響。排放物的環境影響分析示意圖[11]見圖2。具體排放物類別及相應的環境效應需要結合具體制造過程進行分析。

圖2 制造過程的環境影響清單分析

1.2.2 清單數據量化

定量分析制造過程對環境影響的關鍵在于需要對制造過程排放物進行量化。為了解決不同工藝同一排放物的排放標準不同以及不同排放物的評價量綱不同的問題,本文采用區間分析法(interval analysis method)[10]進行分析。

假設一個單元制造過程(Pj)產生的排放物W=(W1,W2,…,Wi,…,Wn),它們的現場測量值E=(E1,E2,…,Ei,…,En),國家或行業允許最大排放標準值 V=(V 1,V2,…,Vi,…,Vn)。為了計算Ei相對Vi的度量值Qi,把[0,Vi)劃分為10個區間,每個區間分別對應一個1～10之間的整數值,如表1所示。如果Ei大于Vi,則Qi取10。由于Ei是現場測量的值,因此Ei是一個在區間[ai,bi]上服從某種分布的隨機變量。假設其密度函數為 f i(x),則Ei落在各區間的概率為

因此,Wi的量化值Qi為

Qi=Pi1+2Pi2+…+10Pi10

表1 環境影響程度等級劃分

另一方面,對于缺乏權威的環境排放評價標準或排放數據難以采集的排放物,則通過對現場工作狀況的描述,采用10分制評分方法,由相關專家評分進行量化處理,并將之區分為不同的等級[12],如表1所示。采用專家評分方法,每個工藝過程的評價結果都是10分制的量綱一的值,可以直接與采用區間分析法的值進行疊加分析。

1.2.3 相對影響權值sik及加權因子βk

相對影響權值sik代表一種排放物(Wi)對某一環境影響類別(Ck)產生的影響相對于標準參考排放物(Wk)對該類環境影響(Ck)所產生的環境影響的系數。例如,評價溫室效應的標準參考排放物是二氧化碳(CO2)。甲烷(CH 4)和碳四氟(CF4)對溫室效應的影響分別是CO2的23倍和5700倍,因此CH4和CF 4的相對影響權值分別是23和5700[13]。多種主要排放物的相對影響權值參見文獻[13]。

不同環境效應對生態和環境的影響程度不同。例如,臭氧層損耗相對于溫室效應對生態和人類的影響就嚴重得多。加權因子βk的作用就是用于評價不同環境影響所產生的危害程度。參考生態指示器99和文獻[12],確定本文中參考的各種環境效應的加權因子如表2所示。

表2 環境效應的加權因子

1.3 制造過程的環境影響分析

分析制造過程對環境影響的目的是通過對比分析不同制造過程的環境影響值,找到在產品生產過程中對環境影響較大的環節,分析其產生的原因,以便采取有效的手段降低制造過程對環境的影響。根據式(5),建立單元制造過程的環境影響矩陣如表3所示。

表3 單元制造過程的環境影響矩陣

根據表3可以從以下三個方面對單元制造過程的環境影響進行評價：

(1)綜合值評價。通過對不同單元制造過程的環境影響值(I)的對比分析,可以發現制造過程中環境影響最嚴重和有待改進的環節：

Imax=max(Ij) j=1,2,…,t

2 案例分析

某高低壓成套工業電器生產企業在高低壓成套電器開關柜柜體的生產過程中,為了提高柜體的耐蝕、耐磨性能,采用硫酸鹽鍍鋅方法對柜體進行了電鍍操作。其工藝流程如下：脫脂 →磷化 →電鍍 →鈍化。下面采用文中提出的方法對電鍍過程對環境的影響進行分析。

電鍍過程的排放物中主要有脫脂廢水、磷化廢水、電鍍廢水、硫酸霧等,其主要污染物、國家排放標準及排放經驗值如表4所示。

表4 電鍍過程的主要排放物

排放物的環境效應如圖3所示。

圖3 電鍍過程主要排放物的環境效應

在實際應用中,要明確密度函數 fi(x),需要根據大量樣本進行分析。本例中為了驗證文中提出方法的可用性并簡化計算,假定 f i(x)在[ai,bi]上服從均勻分布,即

那么,排放物鋅的密度函數為

表5 電鍍過程的環境影響矩陣

3 結束語

本文針對制造過程對環境的影響分析中參考評價標準各異,難以進行有效的定量分析等問題,提出了一種制造過程環境影響分析模型。該模型的特點是：參照生態指示器99,通過引入相對影響權值和加權因子,并采用區間分析法對排放物進行量化,消除了不同工藝過程的環境排放因子的差異和量綱問題,使得制造過程中各環節的環境影響值可以直接進行數據疊加;通過建立制造過程的環境影響矩陣,對各工藝過程的環境影響評價結果進行綜合評價和對比分析,可以為制造過程環境友好性的改善提供數據參考;制造過程環境影響值與生態指示器99兼容,便于把產品的制造過程環境影響集成到產品設計中,提高產品設計方案的環境友好性。

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