報(bào)廢汽車零部件回收再利用的價(jià)值潛力

余林峰，楊 斌，陳 銘

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

1 引言

汽車零部件的回收再利用是時(shí)代發(fā)展的要求，也是中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展和突破的必然選擇。自2009 年1 月1 日，中國(guó)開始實(shí)施《循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》，此后中國(guó)報(bào)廢汽車的回收開始有了正確的循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論作為支撐。推進(jìn)汽車產(chǎn)品回收利用的過程，其實(shí)質(zhì)就是逐步實(shí)現(xiàn)汽車資源的循環(huán)再利用。

目前，報(bào)廢汽車回收產(chǎn)業(yè)的主要問題是嚴(yán)重污染環(huán)境、大量浪費(fèi)資源以及少量非法拼裝車上路行駛所帶來的巨大安全隱患[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，過去粗放式的回收模式已經(jīng)不再適合當(dāng)下對(duì)待環(huán)境保護(hù)的要求。據(jù)美國(guó)權(quán)威汽車雜志《WardsAuto》提供的數(shù)據(jù)顯示，2017 年全球乘用車和卡車銷量首次突破9000 萬輛。這是一個(gè)非常龐大的數(shù)據(jù)，如果這些汽車退役后沒有得到合法的回收處理，將會(huì)導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[2]。相反，其所蘊(yùn)含的經(jīng)濟(jì)潛力和環(huán)境價(jià)值將為汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供充足的動(dòng)力[3]。

報(bào)廢汽車回收處理的方式主要有三個(gè)部分：即零部件回收、材料再利用和報(bào)廢汽車殘余物（ASR）能量回收。這三個(gè)部分是層次不斷遞進(jìn)的回收過程，各個(gè)部分相互聯(lián)系、相互補(bǔ)充。每一種回收過程都實(shí)現(xiàn)了不同的回收價(jià)值：零部件回收再利用實(shí)現(xiàn)了零部件成品的再使用價(jià)值，材料回收實(shí)現(xiàn)了材料的循環(huán)再利用價(jià)值，ASR 能量回收則主要強(qiáng)調(diào)了對(duì)環(huán)境的積極效益。其中零部件的回收再利用是體現(xiàn)報(bào)廢汽車回收價(jià)值的關(guān)鍵步驟。文獻(xiàn)[4]通過分析國(guó)內(nèi)再制造廠商低收入的實(shí)際情況，為中國(guó)再制造行業(yè)提出了合理的再制造體系和市場(chǎng)規(guī)則。為確保再利用零部件的質(zhì)量，龐林花等以無損檢測(cè)技術(shù)為切入點(diǎn)，提出發(fā)展自動(dòng)化和智能化檢測(cè)技術(shù)的趨勢(shì)性和必要性[5]。實(shí)際情況下，并不是所有的零部件都可以進(jìn)行二次再利用，報(bào)廢汽車的主要部分都是以材料回收的方式循環(huán)利用。在歐盟出臺(tái)截止2015 年1 月1 日95%的報(bào)廢汽車回收率的要求后，文獻(xiàn)[6]通過三種不同的拆解方式發(fā)現(xiàn)目前面向材料和能量的回收利用僅達(dá)到（81.5±0.6）%左右。面向材料的報(bào)廢汽車回收方式的價(jià)值是難以評(píng)估的，文獻(xiàn)[7]建立了發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板厚度和材料類型的多材料優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并通過多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法對(duì)該模型進(jìn)行了求解。傳統(tǒng)的報(bào)廢汽車回收到材料回收這一階段就已經(jīng)結(jié)束了，但是對(duì)ASR 進(jìn)行簡(jiǎn)單的填埋處理是不符合環(huán)境要求的[8]。一方面，ASR 中含有大量對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，必須經(jīng)過回收處理后才可以填埋；另一方面，報(bào)廢汽車僅面向零件和材料回收是無法滿足回收率95%以上的目標(biāo)。ASR 能量回收是報(bào)廢汽車回收的末端，它決定了最后的排放和環(huán)境效益，是報(bào)廢汽車整個(gè)回收過程中非常關(guān)鍵的步驟[9]。

以汽車回收產(chǎn)業(yè)的角度出發(fā)，相比材料再利用和ASR 能量轉(zhuǎn)化回收，零部件回收更多強(qiáng)調(diào)的是經(jīng)濟(jì)效益。這其中主要涉及零部件的再使用、再制造和升級(jí)再制造三種遞進(jìn)的環(huán)節(jié)。零部件直接再使用主要針對(duì)事故車輛或使用頻率較小的車輛。由于這些車輛的零部件使用年限或使用次數(shù)較小，所以其大部分零部件都處于正常服役年限內(nèi)，只需通過簡(jiǎn)單的清洗、檢測(cè)就可以繼續(xù)發(fā)揮功能作用。零部件再制造是對(duì)零部件進(jìn)行再加工和檢修后的二次再利用。提高再制造零部件的可靠性是保證再制造產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的重要手段，也是再制造產(chǎn)品被認(rèn)可的必經(jīng)之路[10]。最后，零部件的升級(jí)再制造是在原制造的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級(jí)以滿足新的標(biāo)準(zhǔn)和要求。零部件合理的再利用將為汽車產(chǎn)業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該研究通過建立報(bào)廢汽車的壽命分布函數(shù)和零部件回收再利用之間的相互關(guān)系，利用量化分析的方式分別建立了報(bào)廢汽車零部件在不同回收處理方式下的理論價(jià)值評(píng)估模型，并且以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的再使用和再制造進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)際案例分析。鑒于目前中國(guó)ASR 能量轉(zhuǎn)化技術(shù)還在起步階段，其環(huán)境效益和能量?jī)r(jià)值的評(píng)估還需進(jìn)一步做更深層次的研究。

2 報(bào)廢汽車的回收現(xiàn)狀和壽命分布

中國(guó)是汽車的消費(fèi)大國(guó)，汽車消費(fèi)的同時(shí)就伴隨著報(bào)廢汽車的不斷產(chǎn)生。隨著汽車銷售量的不斷累積劇增，中國(guó)將面臨大量報(bào)廢汽車回收拆解和回收利用的巨大壓力。汽車的生產(chǎn)量和銷售量的不斷增長(zhǎng)是汽車報(bào)廢量增加的源頭因素。中國(guó)乘用車和商用車的歷史銷售量和未來銷售量的預(yù)測(cè)（依據(jù)歷史銷售量的增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)），其中藍(lán)色線條代表乘用車，一色線條代表商用車，另一色線條代表總量，如圖1 所示。

圖1 中國(guó)汽車的歷史銷售量和預(yù)測(cè)銷售量Fig.1 Historical Sales and Forecast Sales of Vehicles in China

汽車的保有量是基于銷售量和報(bào)廢量的一個(gè)不斷趨向穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)量，它的結(jié)果由各國(guó)人口、工資水平以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多個(gè)因素共同決定的。按照發(fā)達(dá)國(guó)家千人保有量300 輛計(jì)算，中國(guó)汽車的保有量在未來將穩(wěn)定在4 億輛左右。而截至2016 年，據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)顯示中國(guó)民用車輛擁有量?jī)H達(dá)1.8 億輛。由此可以看出，中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還將進(jìn)一步持續(xù)向前。該研究以上海市（2012～2016）年間共計(jì)約22 萬輛回收汽車為樣本，利用Logistics 分布模型建立了汽車的壽命概率分布函數(shù)圖。乘用車和商用車的最大統(tǒng)計(jì)壽命分別設(shè)定為25 年和20 年，縱軸的Fp（t）和Fc（t）分別代表乘用車和商用車的報(bào)廢概率分布函數(shù)，如圖2 所示。

圖2 乘用車和商用車的壽命分布函數(shù)Fig.2 Life Distribution Functions of Passenger Vehicles and Commercial Vehicles

為了進(jìn)一步分析和評(píng)估中國(guó)報(bào)廢汽車的回收價(jià)值，文中用當(dāng)前汽車的壽命分布函數(shù)預(yù)測(cè)未來中國(guó)報(bào)廢汽車的報(bào)廢量，中國(guó)未來的汽車保有量和報(bào)廢量的預(yù)測(cè)量，如表1 所示。從表中可以看出自2023 年開始，中國(guó)汽車的報(bào)廢量將首次超過1000 萬輛。伴隨著報(bào)廢汽車量的不斷增大，零部件回收再利用的價(jià)值潛力也將不斷提高。合理的汽車零部件回收再利用措施將為汽車回收產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的價(jià)值。

表1 中國(guó)汽車保有量和報(bào)廢量預(yù)測(cè)Tab.1 Prediction of Vehicle Ownership and ELVs in China

3 汽車零部件的回收再利用

表2 汽車零部件不同回收再利用方式的評(píng)估Tab.2 Evaluation of Different Recycling Methods for Auto Parts

零部件回收再利用是報(bào)廢汽車資源化利用的首個(gè)階段，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值屬于報(bào)廢汽車回收價(jià)值體系中價(jià)值最大的一部分，同時(shí)該階段也是對(duì)報(bào)廢汽車資源化利用的核心環(huán)節(jié)。零部件回收再利用一般可細(xì)分為直接再使用、再制造和升級(jí)再制造三個(gè)部分，不同再利用方式其成本、收益和工藝復(fù)雜度有所不同，如表2 所示。

3.1 基于汽車壽命分布函數(shù)的零部件回收再利用價(jià)值模型

3.1.1 零部件的折舊價(jià)值算法

由于汽車零部件本身使用壽命的限制，不同報(bào)廢年限的報(bào)廢汽車其各個(gè)零部件的可再使用性是不同的。零部件的可再使用性可以理解為：由于汽車整體的報(bào)廢導(dǎo)致其部分零件在還可以正常服役的情況下被動(dòng)的暫時(shí)喪失服役效用。因此，零部件的再使用實(shí)質(zhì)上是零部件使用生命周期的再延續(xù)或者升級(jí)延續(xù)。標(biāo)準(zhǔn)情況下，為了保證在汽車服役年限內(nèi)不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)零部件的損壞而使汽車功能喪失，零部件的設(shè)計(jì)壽命都應(yīng)比汽車的整體設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)。也就是，如果汽車在規(guī)定的報(bào)廢年限內(nèi)報(bào)廢（除特殊破壞等），理論情況下所有的零部件都是可以進(jìn)行二次再利用的。某汽車零部件的平均設(shè)計(jì)壽命是N 年，該類型汽車的最大報(bào)廢年限是M年，如圖3 所示。藍(lán)色曲線代表該類型汽車的基于Logistics 分布的壽命分布函數(shù)F，綠色曲線近似表示某零部件的疲勞壽命。如果一輛汽車在t（0

式中：Zyear—零部件的年折舊額；C—零部件的預(yù)計(jì)殘差值（車用零部件一般按5%進(jìn)行計(jì)算）；Q—零部件的新制造價(jià)值。所以使用t 年后的報(bào)廢汽車零部件的折舊后價(jià)值（Qt）可以用如下公式表示：

圖3 零部件的再使用年限分析Fig.3 Analysis of Reusing Life Span of Parts

3.1.2 零部件回收再利用的價(jià)值

為了衡量整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)中報(bào)廢汽車零部件的再利用價(jià)值，需要對(duì)不同使用性質(zhì)的汽車進(jìn)行分類。在此設(shè)共有n 中不同使用性質(zhì)的車輛，且總共有s 種汽車零部件被認(rèn)定為可再使用的零部件。不同類型的汽車其壽命分布函數(shù)各不相同，如下所示F 矩陣的每一行分別表示不同類型車輛的概率矩陣。其中Fi（t）表示第i種車輛類型的壽命分布函數(shù)，Mi分別代表不同類型車輛的最大統(tǒng)計(jì)壽命，M=max［M1M2…Mn］。

Pj矩陣表示第j 個(gè)可再使用零部件的折舊價(jià)值矩陣，其中Qt代表該零部件使用t 年后的折舊價(jià)值。

Pj=［Q1Q2…QM］T

設(shè)任意年份t 年中報(bào)廢汽車的回收量為R_ELVt且不同類型車輛的占比為 peri，0

現(xiàn)實(shí)中，大部分再使用零部件都不是直接再使用，而是經(jīng)過了再制造加工后進(jìn)行二次利用[11]。再制造相比零件的直接再使用有了新的成本投入，一方面零部件本身的制造差異性使得其壽命分布有所不同，導(dǎo)致再利用過程中需要有針對(duì)性的加工處理；另一方面，不同的使用性質(zhì)和使用時(shí)間會(huì)對(duì)給不同零部件帶來不同的磨損和損耗，如果不進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)，很容易在再使用過程中出現(xiàn)功能的提前喪失。再制造的進(jìn)一步加工就是升級(jí)再制造，即對(duì)舊件的升級(jí)加工。由于舊件的直接再利用已經(jīng)不符合當(dāng)前功能效率標(biāo)準(zhǔn)或者不符合當(dāng)前規(guī)定（如某元素含量、排放量標(biāo)準(zhǔn)等），要使得該零部件能在新的標(biāo)準(zhǔn)下發(fā)揮功用，必須進(jìn)行進(jìn)一步的升級(jí)改造[12]。下面通過對(duì)零部件再使用價(jià)值公式進(jìn)行修正，建立零部件回收再利用的修正價(jià)值模型。設(shè)某可再使用零部件中可直接再使用個(gè)數(shù)占比為α，需要再制造加工個(gè)數(shù)占比β，需要升級(jí)加工個(gè)數(shù)占比γ，且α+β+γ=1。直接修復(fù)加工成本y1，升級(jí)改造成本y2，升級(jí)改造后收益增加量y0。β_Pi表示再制造價(jià)值矩陣，γ_Pi表示升級(jí)再制造價(jià)值矩陣，具體修正結(jié)果如下所示。

Ui表示第i 種零部件的再使用價(jià)值，所以通過式（3）可以計(jì)算出該零部件的總再使用價(jià)值。

則任意年份t 年（陽(yáng)歷年，如2018 年）報(bào)廢汽車零部件再使用價(jià)值，如式（4）所示。

折舊價(jià)值矩陣中的元素也對(duì)應(yīng)發(fā)生改變，如下所示。

M_Prt代表零部件回收再利用的修正價(jià)值，具體計(jì)算方式如公式（5）所示。

其中：各變量表示含義同前。

3.2 案例分析-汽車發(fā)動(dòng)機(jī)回收再利用的價(jià)值潛力

圖4 報(bào)廢汽車發(fā)動(dòng)機(jī)回收再利用的過程Fig.4 Engine Recycling Process of the End-of-Life Vehicle

零部件的回收再利用目前多適用于高附加值的零部件，發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的“心臟”，所以以發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車零部件回收再利用價(jià)值潛力的分析樣本具有典型的意義。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)回收再利用的具體過程，其中加工再制造和升級(jí)制造是可選擇的兩種模式，如圖4 所示。不同發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)制造價(jià)格有所不同，表3 是上海大眾某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)主要部分的制造和再制造費(fèi)用，該發(fā)動(dòng)機(jī)總重為132.7kg，具體數(shù)據(jù)，如表3 所示。

表3 上海大眾某型號(hào)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)制造相關(guān)費(fèi)用Tab.3 Engine Manufacturing Related Expenses for a Model of Shanghai Volkswagen

鑒于目前收集的該品牌報(bào)廢車輛的統(tǒng)計(jì)量較小，無法保證其壽命分布函數(shù)的準(zhǔn)確性。為確保使用性質(zhì)的一致性，以（2012～2016）年上海市約11.5 萬輛乘用車的具體報(bào)廢年限樣本擬合壽命作為計(jì)算依據(jù)。以乘用汽車的最大統(tǒng)計(jì)壽命M=25 年為該類型汽車的最大壽命年限，且設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命N=30 年（N>M）。利用Logistics 分布模型（式（6））建立乘用車的壽命規(guī)律函數(shù)Fp（t），如式（7）所示。

式中：t—汽車的生命周期（1～20 年）；r—內(nèi)在的變化率；c—常數(shù)；K—汽車報(bào)廢量的最大承載能力（此處作為概率分布函數(shù)的最大概率，取K=1）。

再制造成本（y1）=能源費(fèi)用+直接工資+間接工資+使用維護(hù)費(fèi)用+模具費(fèi)用+原料損耗費(fèi)用+管理費(fèi)用+包裝費(fèi)用+運(yùn)輸費(fèi)用+再制造發(fā)動(dòng)機(jī)稅=4782.2 元；

另外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)再制造附加價(jià)值不確定，在此不考慮這種情況，即該分析僅針對(duì)α=1 和β=1 的這兩種情況。利用當(dāng)前乘用車的壽命分布函數(shù)和以上價(jià)值模型方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，具體評(píng)估結(jié)果，如表4 所示。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)再制造經(jīng)濟(jì)價(jià)值潛力Tab.4 Engine Remanufacturing Economic Value Potential

4 結(jié)論

報(bào)廢汽車零部件的回收再利用是汽車產(chǎn)業(yè)鏈的末端環(huán)節(jié)，回收的過程即是資源重整、再利用和再循環(huán)的過程。中國(guó)汽車回收再利用產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)足夠大，準(zhǔn)確的價(jià)值評(píng)估會(huì)為其定位和規(guī)劃發(fā)展提供有力的支撐。該研究的具體結(jié)論概括如下：

（1）利用折舊算法根據(jù)在役年限估算不同汽車零部件的價(jià)值，并建立報(bào)廢汽車零部件再使用和再制造的價(jià)值評(píng)估模型；

（2）以上海大眾乘用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，定量分析發(fā)動(dòng)機(jī)的再使用和再制造價(jià)值潛力。評(píng)估的結(jié)果表明：每回收1000 輛該類型的汽車，其發(fā)動(dòng)機(jī)的直接再使用經(jīng)濟(jì)價(jià)值就相當(dāng)于生產(chǎn)44 臺(tái)新的同類型發(fā)動(dòng)機(jī)；而如果是再制造，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值則相當(dāng)于21 臺(tái)新的同類型發(fā)動(dòng)機(jī)；

（3）該研究是以當(dāng)前乘用汽車壽命分布為依據(jù)在理論模型下的價(jià)值評(píng)估，然而在實(shí)際情況下當(dāng)零部件服役年限超過一定年限后就只能利用材料回收的方式進(jìn)行處理，所以理論模型對(duì)零部件回收再利用的價(jià)值評(píng)估的結(jié)果是偏大的；但是，以實(shí)際的乘用汽車的壽命分布情況分析，處于壽命末期的報(bào)廢汽車的數(shù)量總體占比偏小，并且這部分零部件在進(jìn)行價(jià)值估算時(shí)本身的價(jià)值也是偏小的，所以理論評(píng)估結(jié)果是相對(duì)穩(wěn)定且合理的。