制造過程環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用

齊清剛 包博

昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院，中國(guó)·云南 昆明 650051

1 引言

對(duì)于企業(yè)在產(chǎn)品制造生產(chǎn)的過程中，產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響包含工業(yè)廢物流、廢棄物、副產(chǎn)品、原材料消耗、能量消耗等。為減少制造過程產(chǎn)生的環(huán)境影響，研究學(xué)者提出可進(jìn)行產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響分析評(píng)價(jià)。LCA 表示產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)，其包含制造過程評(píng)價(jià)，由于在LCA 評(píng)價(jià)過程中周期較長(zhǎng)，過程復(fù)雜，而且成本高，因此其應(yīng)用受到一定的局限性。企業(yè)產(chǎn)品制造過程是一個(gè)復(fù)雜工序，包括材料成型，零部件加工，材料改性處理，裝配調(diào)試等過程，因此在評(píng)價(jià)產(chǎn)品制造過程資源消耗和環(huán)境影響時(shí)需要深入分析產(chǎn)品這個(gè)過程的各個(gè)工藝。事實(shí)上可將每個(gè)工藝作為輸入，處理，輸出的過程，即IPO 過程，所有輸入、輸出可使用IPO過程模型和清單分析表格進(jìn)行描述。

2 IPO 過程模型以及清單分析表格

圖1所示為某車間工藝的IPO 過程模型圖。

圖1 車間工藝的IPO 過程模型圖

其具體涉及輸入過程為原材料、能量、加工設(shè)備、工藝參數(shù)、工裝輸出及副產(chǎn)品、水污染、空氣污染、廢料污染的排放等產(chǎn)品的制造過程，可被作為是工藝IPO過程的集合，也就是更大輸入、處理、輸出過程，如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

結(jié)合IPO 過程模型進(jìn)一步構(gòu)建工藝清單分析表格，如表1所示。

表1 工藝清單分析表格

該表格可對(duì)產(chǎn)品制造工藝過程輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其評(píng)價(jià)環(huán)境因子包括兩層，分別為：目標(biāo)層環(huán)境因子，其屬于產(chǎn)品制造工藝中環(huán)境影響共性因子，通常能夠結(jié)合資源消耗類型以及污染物類型將產(chǎn)品制造過程目標(biāo)環(huán)境因子分為水污染，空氣污染，原材料消耗，能量消耗，輔助原材料，消耗廢料，其他污染物包括噪聲、輻射、振動(dòng)、職業(yè)健康、安全危害；第二層為指標(biāo)層環(huán)境因子，是與產(chǎn)品的制造工藝過程具有一定聯(lián)系，不同工藝資源消耗以及環(huán)境排放因子是存在差異的。例如，對(duì)于砂型鑄造工藝和車削工藝來說其產(chǎn)生的環(huán)境排放因子不同，因此清單分析表格第二層指標(biāo)層環(huán)境因子差異較大，很難利用一張清單分析表格描述整個(gè)產(chǎn)品制造工藝過程輸入和輸出的特點(diǎn)。結(jié)合國(guó)家機(jī)械制造工藝標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建27 種產(chǎn)品制造工藝IPO 過程以及清單分析表格，具體包括包裝鍛造，鑄造，切削，電鍍，熱處理，焊接等。在上述清單分析表格中，目標(biāo)層影響因子和個(gè)性化指標(biāo)層影響因子是一致的[1]。

3 環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法

3.1 清單數(shù)據(jù)量化

對(duì)于清單分析表格中的相關(guān)數(shù)據(jù)要想進(jìn)行完全評(píng)價(jià)和量化難度較高，主要由于不同產(chǎn)品制造工藝中環(huán)境排放因子存在差異，很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接疊加，需要綜合評(píng)價(jià)多種工藝制造過程。其次，缺乏相對(duì)權(quán)威工藝過程環(huán)境排放評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)且無參考指標(biāo)，當(dāng)前有關(guān)部門正在進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)過程中主要依靠排污口或廠界檢測(cè)，未涉及產(chǎn)品制造工藝流程。由于受工藝條件因素的影響，不同工藝相同排放標(biāo)準(zhǔn)不同，比如沙型鑄造和車削鑄鐵均會(huì)產(chǎn)生粉塵，如采用相同標(biāo)準(zhǔn)則會(huì)忽視車削粉塵的影響。因此從實(shí)用性和使用效率上來看，研究學(xué)者提出可采用半定量評(píng)價(jià)法，能夠針對(duì)零部件在制造過程中初步分析，調(diào)查環(huán)境影響，進(jìn)而為改進(jìn)工藝流程提供建議，可解決當(dāng)前環(huán)境影響評(píng)價(jià)與零部件制造工程實(shí)踐的問題。環(huán)境影響程度可采用10 分制的方法實(shí)現(xiàn)量化處理，并分為不同等級(jí)，如表2所示。

表2 資源消耗與環(huán)境排放

結(jié)合該表等級(jí)劃分制定具體工藝環(huán)境因子評(píng)分規(guī)則，能夠形成完整的工藝環(huán)境影響因子評(píng)價(jià)規(guī)則及利用上述評(píng)價(jià)方法。每一個(gè)零部件的制造工藝評(píng)價(jià)結(jié)果為10 分制，可直接進(jìn)行結(jié)果加權(quán)疊加，以綜合評(píng)價(jià)原部件制造過程的環(huán)境影響。

3.2 產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響評(píng)價(jià)

1972年由利昂波特提出了相互作用矩陣，可將其用于項(xiàng)目工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，首次將該方法用于制造過程環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，結(jié)合該矩陣原理，矩陣橫軸可表示產(chǎn)品制造過程中對(duì)環(huán)境具有一定影響的工藝過程；縱軸可表示受工藝流程影響的環(huán)境因子，利用M 表示工藝過程總數(shù)，環(huán)境因子表示所有工藝中清單環(huán)境影響二級(jí)指標(biāo)或一級(jí)指標(biāo)，N表示環(huán)境因子總數(shù)，在該矩陣中各元素可使用斜線將其分隔為兩個(gè)部分，上半格和下半格分別表示影響值大小和影響重要性權(quán)值。在產(chǎn)品制造工藝中為產(chǎn)生某項(xiàng)環(huán)境因子危害，那么Mij 可不參與計(jì)算，并可用0 或空值進(jìn)行表示，最后將每行元素和每列元素累加獲得矩陣的加權(quán)分值，可將其表示該產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響總加權(quán)分值。利昂波特采用10分制來評(píng)價(jià)環(huán)境影響，如果影響程度越大，那么得分越高，按照工藝過程類別分別設(shè)定環(huán)境因子重要性，其權(quán)重是與某工業(yè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)重要性相關(guān)，如果權(quán)值越大，則表明其在某工藝環(huán)境影響評(píng)價(jià)的重要性越大，各工藝所有環(huán)境因子的權(quán)重總和為1。結(jié)合制造過程環(huán)境影響利昂波特相互作用矩陣示意圖，可使用兩種方法來分析評(píng)價(jià)產(chǎn)品制造過程的環(huán)境影響情況。第一，綜合分析以及評(píng)價(jià)。利用力量波特相互作用矩陣能夠?qū)a(chǎn)品各工藝的環(huán)境影響值以及環(huán)境因子權(quán)重進(jìn)行乘積疊加，即能夠綜合評(píng)價(jià)零部件制造過程環(huán)境影響程度，各工藝過程環(huán)境因子權(quán)重和為1，因此評(píng)價(jià)區(qū)間介于0～10之間，對(duì)于含有M 個(gè)工藝流程的產(chǎn)品制造過程來說，其評(píng)價(jià)區(qū)間為0～10m。第二，縱橫向比較分析。對(duì)于縱向分析來說可利用該數(shù)值找到零部件制造中影響相對(duì)嚴(yán)重的環(huán)境因子，或指定某個(gè)工藝過程比較對(duì)不同環(huán)境因子產(chǎn)生的影響，以尋找改良途徑。如下圖所示為齒輪在制造時(shí)縱向環(huán)境影響因子比較[2-5]。

對(duì)于橫向比較來說可使用該數(shù)值以比較零部件在制造中不同工藝環(huán)境影響程度差別，進(jìn)而能夠找出存在問題的工藝流程，或者可以以某一指定環(huán)境因子為參考橫向比較不同工藝的消耗情況，如圖3所示為齒輪在生產(chǎn)制造時(shí)工藝流程橫向比較圖。

圖3 齒輪在生產(chǎn)制造時(shí)工藝流程橫向比較圖

3.3 構(gòu)建影響評(píng)價(jià)技術(shù)框架

綜合上述分析進(jìn)一步構(gòu)建零部件制造過程環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)框架，如圖4所示。

圖4 零部件制造過程環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)框架

4 具體應(yīng)用

在本研究中以齒輪生產(chǎn)制造為例，其工藝流程包括粗車削、鉆削、調(diào)質(zhì)、精車削、滾齒、鉗加工、剃齒、校車孔、拉削、鉗加工、摩削等。通過對(duì)齒輪制造各工藝流程進(jìn)行輸入、處理、輸出以及清單數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步構(gòu)建齒輪生產(chǎn)制造的環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)表。比如對(duì)于出車生產(chǎn)流程來說，在縱向比較中能源消耗和其他污染以及安全性問題相對(duì)明顯，在橫向比較中調(diào)質(zhì)工藝以及滾齒工藝及產(chǎn)生的環(huán)境影響程度較大，需要在這兩個(gè)制造工藝流程中進(jìn)行改善，其中調(diào)質(zhì)工藝采用傳統(tǒng)工藝，未對(duì)其進(jìn)行封閉處理，因此導(dǎo)致能源利用率較低，工藝流程存在較大能源消耗，并且在冷卻時(shí)油煙較大，能夠散布于整個(gè)車間中，使車間存在嚴(yán)重的環(huán)境污染，并從一定程度上危害員工身體健康。對(duì)于滾齒工藝其污染來源于加工形成的油煙以及切削過程中的油泄露，此外，采用通用滾齒機(jī)產(chǎn)生噪音較大。由于其他工藝獲得良好控制，因此在整個(gè)齒輪制造時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境影響綜合評(píng)分為55.1，其位于輕度不利和中度不利間。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，本研究提出基于IPO 過程模型以及利昂波特相互作用矩陣產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法，其具體涉及產(chǎn)品制造供應(yīng)鏈，IPO 模型以及清單分析表格，該方法為半定量評(píng)價(jià)法，能夠?qū)Ξa(chǎn)品制造工藝過程中環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)以及橫縱向比較，進(jìn)而為產(chǎn)品制造過程環(huán)境改善提供重要參考。