​什么是绿色制造,主要内容有哪些,这篇文章说明白了

 倩雪     

目前,我国经济正处于转型发展的关键时期,2008年,中国人均生态足迹(2.1全球公顷)是地球人均生态承载力(0.87全球公顷)的近2.5倍,按现在发展模式,到2020年中国人均生态足迹将是人均生态承载力的6倍,将出现严重生态赤字,资源进入匮乏期,资源效率低下,资源成本日益增加,大量产品面临报废,亟待发展高效高附加值的循环再利用产业。为推动我国经济的高质量发展,为经济发展提供新动能,中国亟需通过科技创新推动工业的可持续发展,在此背景下,绿色制造将成为一种新的制造模式、新的业态。那到底什么是绿色制造,主要内容有哪些?下面一起来全面了解下绿色制造的含义与主要内容。


什么是绿色制造?


美国制造工程师学会(SME)于1996年发布了绿色制造蓝皮书《Green Manufacturing》,最早明确给出绿色制造的内涵,即“绿色制造,又称清洁制造,其目标是使产品从设计、生产、运输到报废处理的全过程对环境的负面影响达到最小”。随后,1998年SME在国际互联网上发表了题为“绿色制造发展趋势”的报告,对绿色制造重要性和有关问题作了进一步的阐述。国内,刘飞等于2000年就系统指出:“绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式,其目标是使得产品从设计、制造、包装、使用到报废处理的整个生命周期中,对环境负面影响小、资源利用率高、综合效益大,使得企业经济效益与社会效益得到协调优化”。


近年来,随着科技发展和人们对绿色制造研究的深入,绿色制造的内涵不断丰富,主要有:①绿色制造是多领域、多学科的集成,涉及制造、环境、资源三大领域。②绿色制造中的“制造”是一个广义的制造概念,涉及产品全生命周期,是一个“大制造”概念,同计算机集成制造、敏捷制造等概念中的“制造”一样,绿色制造体现了现代制造科学的“大制造、大过程、学科交叉”的特点,其生命周期示意图见图1。


③围绕制造过程中的环境问题形成了许多与之相关的制造概念,如绿色设计、绿色工艺、绿色包装、绿色使用、清洁生产和绿色回收等。④绿色制造涉及的范围非常广泛,包括机械、电子、食品、化工、军工等,几乎覆盖整个工业领域。⑤从制造系统工程的观点,绿色制造是一个充分考虑制造业资源和环境问题的复杂的系统工程问题。当前人类社会正在实施全球化的可持续发展战略,绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。

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图1绿色制造生命周期过程示意图


绿色制造主要内容


绿色制造创新模式


近年来,工业发达国家相继提出基于产业共生和资源循环的工业生态模式,通过融合新能源和能量回收技术实现能源自主独立的生态工厂、生产者延伸责任制(extended producer responsibility,EPR),注重新技术和产业模式变革创新。


(1)工业共生模式。工业共生是以节约资源、保护环境和提高物质综合利用率为特征的现代工业发展模式,是由社会、经济、环境三个子系统复合而成的有机整体。生态产业链设计是实现工业共生的重要手段,它强调环节之间的链接与交互,注重产业内部各种资源的流动,相互利用对方副产品(能量、水和物质等)。在生态产业链中,物质生产企业承担着不可再生资源和可再生资源的开发与利用,为生产提供初级原料和能源;技术生产者通过对各企业提供无形的技术支持,使各个企业以及整个生态链都朝着更加丰富和完善的方向发展;加工生产企业将物质生产企业提供的初级原料或可作为原料的其他企业的副产物、废弃物,加工成满足人类生产生活所需的最终产品或中间产品;还原生产企业将生产过程中的各种副产品和废弃物进行资源化,或从中进行无害化处理,或提供给其他企业作为原料,图2为生态工业园生态产业链模型,目前丹麦已建立全球第一个工业共生体,即卡伦堡工业共生体。

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图2生态工业园生态产业链模型


(2)生态工厂。生态工厂通过融合新能源和能量回收技术实现能源自主独立的生态型工厂,它从全局系统观点来规划和处理每一个环节,比“节能型”、“清洁型”工厂高一个层次。通过精心策划、合理安排,可以在经济文化和技术不断进步的情况下,使环境负荷保持在所希望的水平上,为此工厂的工业系统需同它周围环境协调起来。生态工厂利用生态学物种共生和物质循环、转化、再生原理,采用系统工程优化方法,运用现代科技成果,设计物质和能量多层次、多级别利用的产业技术系统。这种模式可简述为“资源—产品—再生资源”或“原料—产品—剩余物—产品”,具体表现为:过程减量化、再利用、再循环。生态工厂要求人们尽可能优化物质的整个循环体系,从原料制成的材料、零部件、产品直到最后的废弃物,各个部分都应从资源、能源、资金、环境等方面进行改善。


(3)生产者延伸责任制。1988年,瑞典学者托马斯在给瑞典环境署提交的报告中首次提出了EPR的概念。托马斯认为:EPR制度是一种环境保护战略,旨在降低产品的环境影响。EPR通过使产品制造者对产品的整个生命周期,特别是对产品的回收、循环和最终处置承担责任来实现。EPR制度有利于设计和制造循环再利用的产品,降低产品生命终期的回收处理成本和提高资源循环再利用效率,是推动循环经济发展的根本性的产业模式。目前我国已经进入电子产品淘汰的高峰期,这些日益增多的废弃物,若不能得到有效处理,将会对环境造成极大危害。面对如此之大的潜在威胁,只靠政府来应对环保问题是不够的,企业应该逐步施行EPR制度,义不容辞地承担起环境责任、生态责任和社会责任。


产品绿色评价技术


绿色制造的一个重要挑战是如何快速、可靠地量化检测和评价产品全生命周期的资源消耗和环境影响,目前广泛采用的产品绿色评价方法为生命周期评价(LCA)技术,LCA源于美国中西部研究所于1969年对可口可乐公司的饮料包装瓶进行的评价研究,该研究从原材料采掘到制造,再到废弃物最终处置,进行了全过程的跟踪与定量研究,揭开了生命周期评价的序幕,当时这一分析方法被称为资源与环境状况分析(resource and environmental profile analysis,REPA)方法。20世纪70年代中期由于能源危机,REPA方法中有关能源分析的工作备受关注,进入20世纪80年代后,公众的环境意识进一步提高,产品的环境性能成为市场竞争的重要因素。LCA作为扩展和强化环境管理、评价产品性能、开发绿色产品的有效工具,得到了学术界、企业界和政府的一致认同,其应用领域也从包装材料和日用品扩展到电冰箱、洗衣机等家用电器以及建材、铝材、塑料等原材料,目前已研究开发了SimaPro、Gabi、Ecoinvent、SolidWorks Sustainability等多种产品LCA与生态设计软件及基础数据库,并制定了ISO标准LCA研究框架,为政府、企业和消费者开展绿色制造相关的分析和决策提供了参考。


绿色设计


绿色设计对产品全生命周期的资源消耗和环境影响具有决定性的作用,影响度可达70%~80%,直接影响产品供应链、使用和回收再利用的绿色性。绿色设计应遵循“3R(reduce,reuse,recycle)”的原则,设计产品时不仅要考虑减少产品制造物质和能源消耗,减少有害物质的排放,而且要综合考虑产品及零部件报废后能够重新利用或方便分类回收并再生循环。


(1)绿色材料替代设计。绿色材料替代设计的主要目的是在保持材料性能不变或提升的情况下,改善其环境性能。目前各国开展的绿色材料替代设计研究主要涉及仿生材料、复合材料、可回收材料、合金材料等。WANG等通过热等静压技术制备了SCS-6纤维增强Ti/Ti-25Al-10Nb仿生叠层复合材料,与传统的Ti基复合材料相比,该材料在韧性和抗损伤性方面有了显著的提高;HOLMES等将一种新型竹基复合材料作为风力电机叶片的材料,以改善其环境性能;KAM等将回收材料作为绿色生产的一部分,推广使用可回收材料来减小对环境的影响。


另外,含Y2O3的MCrAIY涂层是发动机涡轮叶片、导向叶片等发动机热端部件用的第三代涂层,已在国外高性能、长寿命发动机上得到应用。为便于在设计阶段选择结构性能较优、环境性能较好的材料以有助于绿色材料替代设计,目前工业发达国家开发了相应的软件工具以支持绿色材料替代设计。其中,欧特克设计软件(Autodesk Inventor)的Eco-Materials Adviser和Granta的CES Selector软件工具,能够形成基于材料属性的材料图表,并根据材料追溯、材料配置、环境影响分析过程对材料进行比较,最终找到替代方案。


(2)节能性设计。节能性设计综合考虑产品制造、使用等过程的能耗情况,通过应用环保节能型材料,优化机械结构,合理地制定并应用创新制造工艺、清洁燃料替代等措施来实现产品制造的节能减排。当前节能设计主要集中在高效动力、清洁燃料替代设计方面,如替代燃料主要有太阳能、甲醇、液化石油气、压缩天然气、乙醇等。


福特Edge HySeries采用了结合车载氢燃料电池发电机和锂电池的氢燃料电池动力系列的混合传动系统,该新型动力系统将传统燃料电池系统的尺寸、质量、成本和复杂性减小(降低)了50%以上。通用汽车雪佛兰Volt采用了一套独特的电力驱动装置来提高车辆的行驶效率,降低电动机的总转速,提高车辆整体行驶效率。该公司还通过应用节能控制技术,优化机电混合汽车内燃机的最佳工作状况,大幅度降低能耗。另外,通用汽车推出的全新一代别克君越eAssist混合动力车,汇集了多项混合动力前沿核心技术,如起步/加速助力、发动机启停系统、减速断油、制动能量回收等,借助eAssist智能混合动力技术,该车型比同级传统动力车型节油20%。


(3)轻量化设计。国际轻量化设计研究主要包括轻量化材料的运用、结构轻量化设计与优化(图3a)、复合材料替代技术(图3b)、先进的净成形工艺等,涉及产品包括工业装备、家电产品、电器电子产品、汽车和飞机等。EMMELMANN等通过激光直接进行飞机结构的仿形制造,同时分析加工区域的温度分布并给出合适的加工工艺参数,为飞机制造业确定了合适的激光立体成形工艺。

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图3轻量化设计方法


(4)面向回收/拆卸/再制造的设计。在设计的各个阶段,不仅要考虑零部件的成本、可加工性、质量,还要考虑零部件的环境属性。面向回收、拆卸、再制造的设计需考虑多寿命周期服役、材料相容性、可拆解性等因素,提高产品生命终期的回收、拆解效率和零部件再制造的服役安全寿命。再制造的设计是面向拆解、清洗、分类、检查、修复和装配的再制造所有阶段的设计。面向拆卸设计需考虑减少拆卸步骤的数量和复杂性,其设计原则为:组件方便拆卸;使用易分离的连接形式;连接的寿命应与产品寿命一致。


绿色制造工艺与装备


绿色制造工艺与装备的创新是实现制造业绿色发展的基础保障,主要创新领域包括:新工艺原理发现、绿色工艺装备研制、替代性工艺技术、工艺链集成优化和辅助物料(切削油液、溶剂等)的环保化,以4种基础工艺创新为例进行说明。


(1)铸造。铸造是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法。铸造是零部件制造中应用最广泛的工艺之一,可分为砂型铸造和特种铸造两大类。铸造工艺污染较为严重,砂模铸造对环境影响较大,其主要的污染源有:有害气体污染、废水排放、固体废弃物等。铸造工艺的质量及排放可通过先进技术得到改善,如在线工艺质量控制技术可提高成品率;无模铸造及砂型涂层技术可有助于提高环境质量;基于工艺模型的环境评估能为铸造的环境影响提供量化工具;热管理及废热回收技术能减少能源及温室气体的排放;近净成形精密铸造新工艺技术能减少或消除产品下游生产的加工或精加工步骤等。


(2)材料成形加工。单点渐近成形技术(SPIF)是改善成形加工环境性能的先进技术之一,适用于大批量成形加工,可减少成形模具的物料和能源消耗。模具激光熔覆再制造技术可延长模具的服役寿命,减少模具制造碳排放。此外,轻量化构件液力成形、模具涂层技术、近净成形技术等都可减小材料成形加工的环境影响。


(3)切削与磨削。切削与磨削都是减材工艺,其能源消耗也不容小觑。减少切削与磨削的能源消耗需从以下几个方面考虑:加工能耗、切削液和切屑回收。其中,减少加工能耗主要通过应用绿色机床实现。2007年,汉诺威机床展览会对绿色机床进行了定义,列举了以下特点:机床零部件由再生材料制造;机床的质量和体积减少50%以上;提高能效30%~40%;减少污染排放50%~60%;报废后机床的材料100%可回收。目前,国际上普遍从干切技术、微量润滑技术和环保切削液的研发应用三个方面缓解切削液带来的环境问题。在切削与磨削能源消耗中,切屑是另一大影响因素。虽然大部分切屑能被回收,但从经济与环境的角度,应通过零部件设计与工艺规划尽可能使切削余量最小,并且通过切屑回收减少物料消耗。


(4)清洗与改性处理。改性处理技术是采用化学/物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术,是制造过程中污染最严重的工艺。基于生命周期的工艺设计可以使得金属热处理、电镀等改性处理的污染源最小。另外,还可通过如下方式减小改性处理的环境影响:减少上游工艺的冷却润滑残留;开发低热量的热处理工艺替代整体热处理,如超声、激光、微波处理等;采用选择性局部热处理工艺,如热喷涂替代整体表面电镀工艺;减少有毒有害溶剂的使用和提高回收再利用等。


资源化与再制造


资源效率提高可通过资源回收利用方式实现。以钢铁为例,采用最佳实用技术,在发达国家的节能潜力为9%,在发展中国家可以达到30%;而通过废弃钢材的回收再利用后最大的节能潜力可达64%。虽然资源回收利用节能潜力巨大,但当前资源回收利用率并不高,尤其是稀贵金属的回收。RECK等指出,金属回收率普遍较低,钢铁、铝、铜等金属回收利用率超过50%,而绝大部分其他金属材料回收利用率均低于50%,特别是稀贵金属回收利用率低于1%。影响金属回收利用率的主要因素有收集效率低、破碎分选技术落后等。


应对未来回收挑战需从普及先进技术、实施面向材料回收的设计、提高废弃产品的收集率等方面实现。在处理生命周期末端的产品时,再制造的节能潜力优于资源回收,可使回收的资源被最大化利用,如六缸柴油机使用再制造的组件可以避免额外的16 250 MJ能源消耗。再制造可以显著地降低材料能源强度,但是对于再制造产品的节能潜力还需从产品的全生命周期角度评价。


GUTOWSKI等指出对于使用阶段能源消耗占主导的产品,再制造产品能效下降所导致的能耗增长将抵消甚至超过再制造产品材料能源强度下降所减少的能耗。图4为25种新产品与再制造产品全生命周期能源消耗对比图,平衡线以上表示再制造产品全生命周期能耗小于新产品,再制造产品较新产品有节能优势;同理,平衡线以下表示再制造产品全生命周期能耗大于新产品,再制造产品较新产品没有节能优势。


以上就是关于什么是绿色制造,主要内容有哪些的详细解答,下期将会分析绿色制造研究现状,并对绿色制造的发展提出建议,敬请期待!


来源:中国机械工程,作者:重庆大学机械传动国家重点实验室曹华军、曾丹、葛威威,重庆邮电大学先进制造工程学院李洪丞

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