基于生態(tài)指示器99的制造過程環(huán)境影響分析模型

谷振宇 劉 飛 任 凡

重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室,重慶,400044

0 引言

制造過程是產(chǎn)品生命周期中直接消耗資源和產(chǎn)生環(huán)境污染的重要階段。為了減小制造過程對環(huán)境的影響,提高制造過程的環(huán)境友好性,促進綠色制造在產(chǎn)品制造階段的實施,需要一種有效的分析方法對產(chǎn)品制造過程的資源與環(huán)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(huán)境的影響,Choi等[1]提出了單元過程的概念。在此基礎(chǔ)上,文獻[2-4]研究了機械加工過程對環(huán)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(yīng)用于對其他制造過程的評價。文獻[5-6]基于物質(zhì)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(huán)境的影響,但未結(jié)合排放物所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)進行環(huán)境影響分析。Li等[7]提出一種用于評價制造過程對環(huán)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(huán)境效應(yīng)的潛在影響來計算制造過程對生態(tài)和人類健康的危害分?jǐn)?shù)。劉江龍[8]提出用環(huán)境負(fù)荷(environmental loading value,ELV)來評價制造過程對環(huán)境的影響,并提出了環(huán)境負(fù)荷的計算方法。但這些研究大多依據(jù)自己提出的參考標(biāo)準(zhǔn),適合對制造過程的單獨評價,難以把制造過程和產(chǎn)品其他生命周期過程結(jié)合起來進行有效的定量分析。

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

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

1 制造過程的環(huán)境影響分析模型

1.1 制造過程環(huán)境影響分析的數(shù)學(xué)描述

在產(chǎn)品制造過程中,任一單元的制造過程(Pj)都可能產(chǎn)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(huán)境效應(yīng)(C1,C2,…,Ck,…,Cm)產(chǎn)生影響(其影響程度值為xik)[10]。不同排放物對某種環(huán)境效應(yīng)的影響程度不同,如果采用排放物Wk作為評價Ck類環(huán)境效應(yīng)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(chǎn)生的環(huán)境影響相對于Wk對Ck的相對影響權(quán)值為sik。同時,假設(shè)Wi的量化值為Qi,于是Pj的排放物對某一環(huán)境效應(yīng)(Ck)產(chǎn)生的影響Ak為

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

則制造過程的環(huán)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(huán)境影響定量分析模型：

1.2 基于生態(tài)指示器99的單元制造過程環(huán)境影響值的計算方法

參照生態(tài)指示器99,單元制造過程的環(huán)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(huán)境影響值的計算過程

1.2.1 單元制造過程的環(huán)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(huán)境效應(yīng)的影響,以便于進一步分析制造過程對環(huán)境的影響。排放物的環(huán)境影響分析示意圖[11]見圖2。具體排放物類別及相應(yīng)的環(huán)境效應(yīng)需要結(jié)合具體制造過程進行分析。

圖2 制造過程的環(huán)境影響清單分析

1.2.2 清單數(shù)據(jù)量化

定量分析制造過程對環(huán)境影響的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)不同以及不同排放物的評價量綱不同的問題,本文采用區(qū)間分析法(interval analysis method)[10]進行分析。

假設(shè)一個單元制造過程(Pj)產(chǎn)生的排放物W=(W1,W2,…,Wi,…,Wn),它們的現(xiàn)場測量值E=(E1,E2,…,Ei,…,En),國家或行業(yè)允許最大排放標(biāo)準(zhǔn)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(qū)間,每個區(qū)間分別對應(yīng)一個1～10之間的整數(shù)值,如表1所示。如果Ei大于Vi,則Qi取10。由于Ei是現(xiàn)場測量的值,因此Ei是一個在區(qū)間[ai,bi]上服從某種分布的隨機變量。假設(shè)其密度函數(shù)為 f i(x),則Ei落在各區(qū)間的概率為

因此,Wi的量化值Qi為

Qi=Pi1+2Pi2+…+10Pi10

表1 環(huán)境影響程度等級劃分

另一方面,對于缺乏權(quán)威的環(huán)境排放評價標(biāo)準(zhǔn)或排放數(shù)據(jù)難以采集的排放物,則通過對現(xiàn)場工作狀況的描述,采用10分制評分方法,由相關(guān)專家評分進行量化處理,并將之區(qū)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(jié)果都是10分制的量綱一的值,可以直接與采用區(qū)間分析法的值進行疊加分析。

1.2.3 相對影響權(quán)值sik及加權(quán)因子βk

相對影響權(quán)值sik代表一種排放物(Wi)對某一環(huán)境影響類別(Ck)產(chǎn)生的影響相對于標(biāo)準(zhǔn)參考排放物(Wk)對該類環(huán)境影響(Ck)所產(chǎn)生的環(huán)境影響的系數(shù)。例如,評價溫室效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(quán)值分別是23和5700[13]。多種主要排放物的相對影響權(quán)值參見文獻[13]。

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

表2 環(huán)境效應(yīng)的加權(quán)因子

1.3 制造過程的環(huán)境影響分析

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

表3 單元制造過程的環(huán)境影響矩陣

根據(jù)表3可以從以下三個方面對單元制造過程的環(huán)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(huán)境影響值(I)的對比分析,可以發(fā)現(xiàn)制造過程中環(huán)境影響最嚴(yán)重和有待改進的環(huán)節(jié)：

Imax=max(Ij) j=1,2,…,t

2 案例分析

某高低壓成套工業(yè)電器生產(chǎn)企業(yè)在高低壓成套電器開關(guān)柜柜體的生產(chǎn)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(huán)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(biāo)準(zhǔn)及排放經(jīng)驗值如表4所示。

表4 電鍍過程的主要排放物

排放物的環(huán)境效應(yīng)如圖3所示。

圖3 電鍍過程主要排放物的環(huán)境效應(yīng)

在實際應(yīng)用中,要明確密度函數(shù) fi(x),需要根據(jù)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(shù)為

表5 電鍍過程的環(huán)境影響矩陣

3 結(jié)束語

本文針對制造過程對環(huán)境的影響分析中參考評價標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境影響分析模型。該模型的特點是：參照生態(tài)指示器99,通過引入相對影響權(quán)值和加權(quán)因子,并采用區(qū)間分析法對排放物進行量化,消除了不同工藝過程的環(huán)境排放因子的差異和量綱問題,使得制造過程中各環(huán)節(jié)的環(huán)境影響值可以直接進行數(shù)據(jù)疊加;通過建立制造過程的環(huán)境影響矩陣,對各工藝過程的環(huán)境影響評價結(jié)果進行綜合評價和對比分析,可以為制造過程環(huán)境友好性的改善提供數(shù)據(jù)參考;制造過程環(huán)境影響值與生態(tài)指示器99兼容,便于把產(chǎn)品的制造過程環(huán)境影響集成到產(chǎn)品設(shè)計中,提高產(chǎn)品設(shè)計方案的環(huán)境友好性。

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