（机械电子工程专业论文）家电产品回收工艺路径评价及优化方法的研究.pdf

家电产品回收工艺路径评价及优化方法的研究 摘要 本文在介绍了家电产品回收再利用的实际意义、关键技术后，介绍了解决目 前产品回收过程中工艺路径方案优化问题的研究方法。本文引用了层次分析法对 评价指标的权重进行分配，采用了归一法对众多复杂的指标进行了归一化处理， 使得评价指标得以简化，以便于我们进行评价和优化比较。本文运用了图的基本 理论对a g e n t 搜索生成的回收工艺路径有向图网络进行了分解，为进行理想点相 对接近度比较法做了必要准备。本文采用了理想点相对接近度比较法来解决多目 标并行优化问题，对所有可行的回收工艺路径方案进行优化比较，从而得到最优 的回收工艺路径方案。应用本文所介绍的评价及优化方法，结合具体的家电产品 冰箱，进行了实例分析。 关键词；家电产品回收工艺路径评价指标层次分析理想点相对接近度 多目标评价受优州 r e s e a r c ho nm e t h o do fe v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o no f r e c y c l i n g p r o c e s s e so f h o u s e h o l da p p l i a n c e a b s t r a c t t h j sp a p e ri n t r o d u c e st h er e a lm e a n i n ga n dk e yt e c h n i q u e so fr e c y c l i n ga n d r e u s i n go fp r o d u c t s a sw e l la st h em e t h o do fs o l v i n gt h ep r o b l e m o f o p t i m i z a t i o no f r e c y c l i n gp r o c e s s e so f p r o d u c t s 1 1 1 i sp a p e ra d o p t sa n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) t o d i s t r i b u t et h ew e i g h to f e v a l u a t i n gi n d e x ，a n dh s e sa i li n t e g r a t i n gm e t h o d t os i m p l i f y t h ee v a u a t i n gi n d e xs y s t e ms ot h a tt h er e c y c l i n gp r o c e s s e sc a l lb ee v a l u a t e da n d o p t i m i z e de a s i l y t l l i sp a d e ri n t r o d u c e se s s e n t i a lt h e o r yo fg r a p ht od i v i d et h en e to f r e c y c l i n gp r o c e s s e sb u i l tb ya g e n ti n o r d e rt op r e p a r ef o ra p p l y i n gt h em e t h o do f i d e a lp o i n tr e l a t i v ea p p r o a c h i n gc o m p a r i s o n ( i p r a c l i p r a cm e t h o dr e s o l v e st h e p r o b l e m o f c o n c u r r e n to p t i m i z i n go f m u l t i p l eo b j e c t se a s i l ya n da c c u r a t e l y c o m b i n e d w i t ht y p i c a lh o u s e h o l da p p l i a n c ep r o d u c t r e f r i g e r a t o gt h em e t h o do fe v a l u a t i o na n d o p t i m i z a t i o na r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：h o u s e h o l d a p p l i a n c er e c y c l i n g p r o c e s s e v a l u a t i n g i n d e x a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s i d e a lp o i n tr e l a t i v ea p p r o a c h i n g e v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o no f m u l t i p l eo b j e c t s 致谢 在此论文完成之际，首先要感谢我尊敬的导师刘志峰教授! 在这 三年研究生学习期间，老师在学习上和生活中都给予了热心的指导和 无微不至的关怀。特别是在本论文的撰写过程中，老师不厌其烦、一 丝不苟、不遗余力地给予指导和教诲。老师严谨的治学态度、平易近 人的待人处事方式和渊博的学识使我永生难忘，并将永远是我学习的 榜样。 在课题的研究过程中，刘光复教授也对我给予了大力支持，才使 得论文能够顺利完成。同时，还要感谢朱华炳老师，他给我提出了很 多宝贵的建议。此外，特别感谢我的合作伙伴曹跃颖同学，三年的共 同研究不仅使我们在学业上相互促进，更加深了我们之间的友情。 在这里我还要特别感谢王淑旺、段刚、王雁、梁峰、潘晓勇等师 兄妹，以及我可爱的小妹，感谢她们在我最需要帮助的时候给予的无 私帮助。 最后，谨以此论文献给我挚爱的父母，感谢他们多年来在经济上 对我的大力支持和生活上给予我的无微不至的关怀。 作者：潘春霞 2 0 0 2 年5 月 第一章概述 随着科学技术的迅猛发展，人类方西创造了大量物质文明，另一方酾也 消耗了大量的不可荐生瓷源，并且造成了严重的生态环境污染。二十一瞧纪是 绿色的世纪，保护生态环境、赢效利用自然资源、实行可持续发展已成为全球 关注的闽题。 可持续发展是搬既能满足当前社会需求，又不对子孙看代满足其需求的能 力构成危害的一种发震模式。实现可持续发展鼢有效技术手段就是实行绿色设 计和绿色制造。绿色设计和绿色制造在保证产器实现基本功能的藩提下，强调 最大戳度缱提高资源和能源利用率，减少环境污染，力求实现产品全生命周期 的物流循环。 传统的生产过程都是采用毅的能源和资源，而很少采用回收来的资源，而 且传统的产品生会周期是开环过程，产品被消费者废弃后，产品的生命周期也 随之结束，很少考虑产品废弃以后所产生的环境污染戳及资源、能源的圈收再 刹用等阀题。这样不仅导致了大量的自然资源和能源的浪费，同对也造成了严 重的环境污染。因i 靖= 以实现资源的溷牧再利耀，减少对新资源的消耗，减少废 弃物对环境的污染为宗旨的产品隧收工艺路径的研究显缮越来越重要。 l 。l 研究产摄回收的意义 如姆有效地慰收瓤用废旧产品已成为全球所面临的共同挠战，尤其是电子 产业、汽车行业和家电企业。方面。些国家通过立法来要求企业对其产品 的醚收过程负责，如德国、荷兰和瑞士等，都蒂8 定了相关的法律，规定电子企业要 对产品的最终处理负责；另方面，随着市场压力的不断加剿，许多消费卷在购 物时提出回收作为荐购或更新的条件。这些饔鼹的背景因素对企业的生在和进 一步发展都是氍大的挑战。特别是欧泌的电子企、业在恧对诲多与产品酗收有关 的计划、竞争和基础设施阀题中变褥疲惫不堪。美国徽电子和电脑技术公司 ( m c c ) 1 9 9 4 年牵头撰写了一份题为“电子工业环境指南”的报告，其中把电子产 品的处理列为保护环境的头等任务。许多美陶公司都有酗牧辩j 帚或利用陈旧设 备的某种方案。瞄前，许多无法荐利用的废旧产品都被庭接送往垃圾蝼埋场， 在那里不用考虑资源的回收荐利用，也不需要对废| 器产晶进行环境无害化处理。 这种废旧产品的处理方法不仅造成资源的浪费，也会对环境产生严重的污染 【2 4 1 f 8 ： o 欧美、尽本等发达国家在2 0 世纪九十年代初就开展了废家电处理技术的研 究，并制定了一系列环保法规。由德国倡导的“生产者负责”原则，己经遍及欧 洲，并传到亚洲葶非洲。“生产者负责”原剐就是通过法律手段强制帝8 造裔圜收 其生产的产晶。生产者可以建立渠道自行回收，也可以委托第三方圈牧公司鲤 收。这些回收系统在废家电回收再利用过程中将有关信息反馈给生产者，使他 们在选用原材料时，选择有利于回收利用的材料；在产品设计时，采用易于回 收的设计；从而形成资源、能源的良性循环，促进可持续发展的实施。6 1 。 中国是家电生产和消费大国，据有关专家分析，我国家电产品在2 0 世纪 8 0 年代末9 0 年代初经历了一次销售高峰期，现在这些家电已经接近或超过了 设计寿命，到了该更新换代的时候了。据国家经贸委资源司介绍，目前电冰箱 的社会保有量已达1 2 亿台，洗衣机1 7 亿台，电视机4 亿台，电脑1 6 0 0 万 台。20 世纪8 0 年代末9 0 年代初投入使用的电冰箱、洗衣机、电视机绝大多 数到了报废期。电脑产品由于升级换代快，更新报废的周期更短。预计今后几 年我国需要报废和回收处理的家用电器数量将大幅度上升，电冰箱年均报废数 量将达4 0 0 万台，洗衣机、电视机的年均报废数量将达到5 0 0 万台以上。电脑 在短短几年时间里，已从“3 8 6 ”发展到“奔4 ”，预计每年都有数量不少的电 脑等待下岗”。 随着人民生活水平的不断提高，家电产品将更加普及，2 l 世纪报废的家电 产品会更多。这些废弃的家电产品作为城市特种垃圾，如不妥善处理，必将造 成土壤或水体的严重污染，影响人体健康，制约家电产业的可持续发展。由此 可见，开展废旧家电回收利用，已是我国家电业改革的一个重要课题，它是关 系环境保护、家电业可持续发展以及与国际接轨的重大问题。由于发达国家立 法支持废家电资源回收，如果我们设计的产品不能很好地实现回收处理，很有 可能造成出口产品受阻，带来巨大的经济损失。 从我国的实际国情来看，我国人口众多，人均资源占有量相对较少，只有 有效地进行资源回收再利用，才是实现可持续发展和解决环境保护问题的根本 途径。一方面，废旧家电产品的回收，可以实现其组成材料的回收再利用，例 如家用冰箱的主要组成材料有铁、铜、铝和塑料等，这些材料随时间的变化都 不大，回收以后可以再利用，减少对新资源的开采利用；另一方面，从整体来 讲，我国居民消费水平还不是很高且具有地区差异性，因此，通过一定的回收 渠道和技术保障，开展家电产品的回收、重用研究，走循环经济的发展模式， 不仅可以为企业带来显著的经济效益，而且也具有极大的社会效益，同时获得 的经验、数据和积累的知识反过来可以用于指导家电产品的绿色设计，以便最 终从源头保证家电产品具有良好的回收性能”1 。 从环境的角度来看，六十年代以前，世界各国废弃物的处理形式以露天焚 烧为主。焚烧虽然减少了废物的体积，但焚烧过程中会排放出大量有毒有害气 体，焚烧残留物也会对土壤和水源造成严重污染。因此，到七十年代初，露天 焚烧的方法便逐渐被填埋法所代替”3 。虽然填埋法可以减少由烟尘引起的污染， 但是并不能减少对土壤和水源的污染，并且也浪费了大量可以回收再利用的资 源，同时也占用了大量的土地资源。因此，较好的解决办法不是把废弃产品看 作废物垃圾来处理，而是把它看作一种可以回收再利用的、能生产出同样的或 其它有用产品的物资资源。这样不仅可以有效地解决废弃产品处理过程带来的 环境问题，同时也减少了对新资源的消耗。 无论从那一方面来讲，系统地研究废弃产品的回收再利用技术，对我国家 电产品制造企业实现可持续发展，资源能源的有效利用，以及环境保护等各方 面都具有重要的意义。 1 2 家电产品回收再利用所面临的技术和决策问题 在产品回收过程中如何实现最大效益的回收再利用不仅要解决一些回收技 术问题，还要解决回收过程的回收级别和工艺路径的决策问题。产品的回收再 利用技术主要是指回收本身的工艺技术，如材料的分离技术、废弃物的无害化 处理技术等。回收级别决策是对待回收产品采取什么级别的回收能够达到最佳 的回收效益进行决策，工艺决策是指对各种回收工艺方法的选择以及回收过程 中工序的排序组合等决策问题。 1 2 1 家电产品回收再利用目前面临的主要技术问题 1 材料识别技术 这是家电产品回收再利用所面临的首要问题，即必须先搞清回收产品由哪 些零部件组成，含有哪些组成材料，含有哪些可以再生利用的零部件或材料( 包 括塑料、玻璃和金属等) ，以及含有哪些危险物质( 如对环境有严重影响的物质 或对人体产生严重危害的物质) 。为此，许多电子企业正在考虑采用i s o1 1 4 6 9 标准这是国际标准组织制定的一种塑料成分标识标准。但这仅是个开端，许多其 它材料( 如电池和芯片) 也必须再生利用。以欧洲电子企业为主的一个合作组织制 定的v i s i o n2 0 0 0 计划中的电子产品综合再生利用法( c a r e ) 是对i s o 标准的补 充但比它更全面。该组织已在欧洲索尼公司设立了秘书处，其重要任务之一就是 为产品回收设计一套最佳解决方案。它目前正在为提供再生利用信息制定一份 标准的协定，其中规定产品中要有存储主要回收数据的专用硬件识别单元。尽管 如此物理成分的识别仍存在问题，因为内装的识别数据还不能完全实现自动化， 因此化学标识器、电子标识器和条形码等高技术手段也都在开发。与此同时，无 标签或无标识器的物理识别手段也有了很大进展。例如能在5 秒钟内识别塑料 的识别仪器已经出现，它根据每种聚合物的基本化学结构进行识别。目前大多数 已经商品化或即将商品化的快速识别仪，如红外光谱聚合物分析仪。这方面的重 要进展有提高扫描与分析速度和增强红外光对聚合物反射的测量新技术”3 。 2 材料分离技术 一旦对家电产品的回收级别做出了决策，首先将可以直接再用的零件或部 件拆卸下来，下一步的回收技术问题便是如何对剩余的混在一起的各种组成材 料进行分离。因为家电产品中组成材料的种类很多，包括塑料、玻璃和金属等， 而k g _ 些材料常常互相连在一起，所以如何采用合理的分离技术才能使得分离 过程的成本最低，产生的回收收益最大，同时尽量满足分离过程的环境友好性 最佳，就成了回收再利用必须面临的问题。美国m b a 聚合物公司正在开发一 种把各种废旧电子产品中的各种塑料和其它材料分离开的技术，即把各种材料 混合在一起的电子产品，根据不同材料的物理、电气和磁性能，分离成塑料、黑色 和有色金属、不锈钢、纸、橡胶、塑料和金属标签等”1 。 3 。废弃物的无害化处理技术 回收过程本身会产生些对人体健康和环境有害的物质，并且在回收过程 的终端可能还会有一些目前的回收技术仍无法回收再利用的废弃材料，而这些 材料又会占用大量的空间并且对人体的健康和环境产生影响。这些有害物质及 无法再利用的材料都必须经过无害化处理，以保证对人体健康和环境的影响最 小，同时又希望处理过程的成本能够最低。所以，如何能够采用最低的成本实 现环境友好性最佳的废弃物无害化处理是急待于发展的技术。 1 2 2 家电产品回收再利用的决策优化问题 1 影响家电产品回收级别判断决策的因素 产品回收再利用可以分成不同级别的回收层次，大概可以包括：零件或部 件直接再用，材料直接再造，材料改性再利用。零件或部件直接再用是指当产 品被废弃时，有一部分零件或部件的使用性能还是完好的，仍可以继续使用， 在回收再利用过程中，我们就直接将这部分零部件拿来重用。这种再利用既减 少了资源消耗，又降低了制造成本。材料直接再造是指回收来的产品中原有的 零部件已经不能直接再用到新的产品中，但是制造这些零部件的材料所具有的 性能仍然没有改变，所以，可以将回收来的材料直接用来重新制造新的零部件， 而不需要经过改性处理。这种再利用减少了对新资源的开采。材料改性再利用 是指在回收产品中有一些材料原有的性能已经发生了变化，不能再发挥原来的 用途，这时需要通过些物理或化学的方法对这些回收材料作改性处理。通常 采用的改性技术有增韧、增强、并用、复合、粒子填充、交联、接枝等。1 。虽 然改性处理的工艺过程比较复杂，但是改性过程可以改善或提高材料的性能， 提高资源的再利用率，同时也减少废弃物的数量。 产品回收首先应当确定待回收产品中各零部件及组成部分的回收级别，然 后再根据各零部件及组成部分所处的回收级别来采取相应的回收工艺方法。如 果零部件所处的回收级别为直接再用，那么就应该对其采用非破坏性拆卸的方 法进行回收直接再用。如果零部件所处的回收级别为材料直接再造，那么就可 以按照材料回收的方法进行直接回收再造。如果零部件所处的回收级别为材料 改性再利用，那么就应该在材料回收过程的同时对材料作改性处理。 4 废弃后家电产品各零部件及组成部分的回枝级别国产品本身组成材料的性 能及产品的主斤旧情况的不简而不同。在同一个回收产品中，不阉的零部件及组 成部分由于在使厢过程中各零部件及组成部分的磨损情况并不相同，聪且不同 的零部件的缎成材料也不相闯，所以各零部件所处的回收级别般不相同。在 不闷的回收产晶中，即使是相同的零部件也可能因为羲个产品的使用程度不同， 它们豚处的髓收级别一般也不捅同。影响家电产品回收级剐决策的因素有产品 本身各零部件的组成材料的性能、产品的折i 日情况、回收的工艺设备条件以及 回i 收成本。 2 如何选择合理的回收工艺路径 如果说材料识别和材料分离瘸于技术阏题，那么产品回收级别的判断和回 收工艺路径豹选择则属于决策闯题。回收的最优原则是攒争取用最少的回收成 本得到最大的回收效益的同时，达到环境友好性最佳，资源再利用率最高。也 即用最小的回收成本，获樗最大程度的可重用零部件和爵生材料，以保证获得 最大的回收收益。同时使回收过程最终产生的无法再乖用的物质的量摄少化， 并能对最终无法再利用的物质进行迸步地无害化处理处置。 对同一种回收产品，不同的图收厂家可能会采用不网的回收工艺路径，雩导 到不同的回牧经济效益，同时也产生不网的环境影响。由于产品的嗵收过程是 一个需要考虑多目标因素的多阶段过程，每一秘工艺路径都各有其优缺点，眈 知经济性好的凰收工艺路径缀可能环境友好性较差。如何合理遗选择多阶段多 目标最优的回收工艺路径是实现环境友好的、高经济效益的回收再利褥的前提 条件，也是本文要重点解决的问题。 1 3 家鼓产晶回收再利用的现有技术和决策方法 1 3 1 现有的材料识别和分离技术 由于构成产品的零部件数量很多，特别是形状复杂的产晶更是如此。为了 授于识别这些材料，可以在产晶生产过程中对可回收的零部 牛材料给出明确的 识别标志。这些标志及其识别对判断产品回收级剐非常有角。不同的零部件及 材料的回收级别不周。在所有的回收级剃中，重用其有最高优先级，其次是循 环再造利用，最后是改性再生利用。目前用得较多的材料标识方法有“1 ： 1 ) 在产品生产时，在攀件上模压出材料代号或用不同的羧色表明材料的可 回收性，或注确专门韵分类编码代号等。这样，在产鼎回收黠，可以更好媳掌 握可回收零部件的拆卸、分类和回收。 2 ) 在塑料零件上做出条型码标志可以表示出该塑料的许多重要信息，如成 分、生产年代、环境危害及添加剂等，这些信息对确定专才料的回收级剐是非常 有馀值的。 虽然这些标识方法町以帮助我们有效地判断产品的回收级别，但是目前大 部分待回收的家电产品都是按老式方法设计的，并没有这些标志。所以，物理 成分的识别技术的发展也显得非常重要，如红外光谱聚合物分析仪的研制、塑 料成分的塑化温度鉴别法的研究等”3 。 回收产品经过拆卸取下可重用零部件后，剩余的不可重用部分的材料主要 是各种金属和塑料的混合物，对这些材料进行回收再利用通常采用的方法是先 将它们粉碎得到一定形状大小的固体混合物颗粒，然后再对固体混合物进行分 离。在废旧家电产品回收处理过程中，广泛采用了各种破碎技术，如低温和常 温破碎技术，这些技术在家电产品回收过程中起着重要的作用。低温破碎技术 是利用液氮，使电冰箱、空调器上的压缩机等坚固部件在一1 9 0 0 c 左右的超低温 下冷却，利用材料的低温脆性，使金属和非金属高效剥离破碎。而常温破碎技 术就是对电冰箱门体等大部件和小零件分别归类，而金属碎片和塑料分别在分 选装置中分选。目前广泛采用的分选方法主要有风力分选、重力分选、磁选分 离和电选分离一“1 。 风力分选方法的根据是固体混合物中不同材料物质的相对密度不同、随风 漂移的距离也不同。这种分选方法能够分开相对密度差异较大的材料。 重力分离是利用不同比重的粒子，在流体中所受到的重力等外力作用下， 作不同运动而进行的物料分离。这种分离方法能够采用不同密度的液体分开不 同密度的材料。 磁选分离是根据物质的磁性差异，即物料所受磁力吸引的大小进行分选的 分离方法。这种分离方法可以用来分开铁与其它物质。 电选分离是利用物质导电率的差异进行分离的方法，在回收过程中通常用 这种分离方法来分开金属与非金属物质。 1 3 2 现有的废弃物无害化处理技术 废弃物无害化处理是回收过程污染控制的末端环节，是用来解决最终废弃 物归宿的必要过程。一些固体废物经过回收利用，总还会有部分残渣存在，而 且很难再加以利用，这些残渣往往又富集了大量有毒有害成分：它们将长期地 保留在环境中，是一种潜在的污染源。为了控制回收过程对环境的污染，必须 对最终产生的无法再利用的物质进行无害化处理，使其对环境的影响最小，或 者使之最大限度地与生物圈隔离，同时使处理过程的成本费用最低。现有的废 弃物无害化处理技术主要有化学处理、生物处理、热处理、固化处理等“。 化学处理。化学处理是采用化学方法破坏废弃物中的有害成分，从而使 其达到无害化。化学处理方法包括氧化、还原、中和、化学沉淀和化学溶出等。 有些有害废弃物，经过化学处理还可能产生富含毒性成分的残渣，还须对残渣 进行解毒处理或安全处置。 生物处理。生物处理是利用微生物分解废弃物中可降解的有机物，从而 使其达到无害化或综合利用。废弃物经过生物处理，在容积、形态、组成等方 面，均发生重大变化，因而便于运输、贮存、利用和处置。生物处理方法包括 好氧处理、厌氧处理和兼性厌氧处理。 热处理。热处理是通过高温破坏、改变废弃物组成和结构，同时达到减 容、无害化或综合利用的目的。热处理方法包括焚化、热解以及焙烧、烧结等。 固化处理。固化处理是采用固化基材将废物固定或包覆起来以降低其对 环境的危害。其目的是使废物减容或压成块状，以利于运输，贮存或者焚烧、 填垤等最终处置。固化处理的主要对象是对环境、人体有毒害的危险废弃物。 1 3 3 现有的回收工艺路径评价决策方法 产品的回收过程是受多种因素影响的多阶段过程，通常涉及经济、生态、 环境、技术和社会等方面的因素。要对回收工艺路径进行多种因素综合评价必 须采用一种科学合理、简单可靠的方法。通常用的评价决策方法有传统的线性 加权法、加权评分法、变动权系数法、理想点法；层次分析法；模糊评价法等 由于在回收过程中有许多参与评价的指标，这些指标大部分都是不同量纲 的量，传统的加权法将这些量累加在一起进行比较，有些情况下不能真正可靠 地评价回收工艺路径方案的优劣。传统的理想点方法只考虑理想点，而忽略了 负理想点，所以并没有能够准确地反映回收工艺路径方案的优劣。层次分析法 和模粉评价法都是常用的评价决策方法，都考虑了各指标的权重，但仍然没有 能够避免不同量纲的量之间进行比较的尴尬问题。 本文介绍了一种理想点相对接近度比较法，首先考虑了产品回收过程中各 评价指标对评价结果影响的重要程度，即权重：然后采用同量纲的量之间进行 比较，分别确定各条回收工艺路径与理想点和负理想点的接近度，再求得各条 回收工艺路径与理想点的相对接近度。最后将所有回收工艺路径与理想点的相 对接近度进行比较，从而确定最优的回收工艺路径。这种理想点相对接近度比 较法既避免了不同量纲的量之间进行比较，又综合考虑了理想点和负理想点对 评价结果的影响。 1 3 4 现有的回收工艺路径优化搜索方法 同一种回收产品可能有几条可行的回收工艺路径，整个回收工艺过程就是 由这些路径构成的有向图网络。回收工艺路径优化过程就是要在回收工艺路径 有向图网络中搜索出多目标最优的一条路径。目前国内外研究产品回收工艺路 径优化的成熟的方法很少，有人用过神经网络方法和遗传算法来优化回收工艺 路径，但是神经网络的训练过程很繁琐，需要很多时间；已有的遗传算法在回 收工艺路径优化中的应用是通过在回收工艺路径的可行解空间中进行不断搜 索，最终逼近最优解，这对于本来并不复杂的回收工艺路径的优化实际上并没 有能够发挥出遗传算法本身的快速实现多目标并行优化的特点。 本文将首先采用图的基本原理剥回收工艺路径有向图进行分解，得到所有 可行的独立回收工艺路径，然后根据给出的评价决策方法，评价每一条回收工 艺路径的优劣，最终得到多目标最优的回收工艺路径。 1 4 本论文的主要研究内容 本课题是国家自然科学基金重点项目“机电产品绿色设计理论及方法”的 一部分。由上述分析可知，本文主要通过家电产品回收工艺路径的评价及优化 方法的研究，帮助回收者进行合理的回收工艺决策，确保采用多目标最优的回 收工艺路径来提高资源、能源的再利用率，减缓对新的资源和能源开采利用的 速度，通过对回收工艺过程末端进行无害化处理使对人体健康和环境的危害最 小化，减少最终的废弃物数量从而减轻环境的承载负担。 目前面向回收设计理论的研究工作己经取得了很大的进展，但以往的研究 工作主要是考虑旧产品的拆卸工艺和回收方法，而对家电产品的回收工艺路径 的评价及优化方法考虑较少。因此本课题研究的中心内容是“产品回收工艺路 径的评价及优化”，其目标是针对常见的家电产品，建立回收工艺路径的评价指 标体系，运用合理的评价方法对产品所有可行的回收工艺路径进行评价分析和 比较。具体的产品回收工艺路径评价及优化过程是先根据家电产品的回收专家 知识生成可行的回收工艺路径有向图网络，再根据图的基本理论和一条独立完 整的回收工艺路径的定义将回收工艺路径有向图网络分解成所有可行的独立完 整的回收工艺路径，再根据所建立的评价指标体系，运用给出的评价和优化方 法对网络中每条路径进行分析比较，从而得到最优回收工艺路径。 本论文主要内容包括： 1 家电产品回收评价指标体系的建立 家电产品回收工艺路径的评价指标体系是实现回收工艺路径决策评价的前 提条件。该指标体系必须能够科学地、客观地、并且能够尽可能全面地反映影 响回收工艺路径优劣的各种因素，同时也应有利于采用一定的评价方法进行多 目标优化。在研究大量国内外文献的基础上，本文提出了综合考虑经济、环境、 生态及资源能源因素的评价指标体系，全面涵盖了影响回收工艺路径决策评价 的各种因素。同时又采用了影响当量转化法。”对复杂的评价指标体系进行了简 化和归一处理。 2 家电产品回收评价方法研究 家电产品回收工艺路径的决策评价涉及了多个评价因素和参与评价的阶 段，因而评价方法的选用将会直接影响评价结果的合理性和可靠性以及回收工 艺过程决策人员的决策。本文在综合参考了各种文献的基础上，提出了引入灰 色元素的模糊上三角阵的层次分析法来确定各个评价指标的综合权重，这种方 法根据判断矩阵的特点只采用上三角阵参与计算，同时又引入了灰元，通过调 整次元的白化系数使上三角阵满足模糊一致性要求，简化了传统的模糊矩阵一 致性调整的过程。本文还采用了理想点相对接近度比较的方法对所有可行的回 收工艺路径进行评价比较，这种理想点相对接近度比较法综合考虑了多目标因 素分别对理想点和负理想点的接近程度”“，最终采用相对接近度进行排序比较， 以获得复杂工艺路径网络有向图中的最优解。这种方法采用的是同量纲量之间 进行比较，避免了传统的不同量纲的量在一起进行混合比较的不合理性。 3 家电产品回收工艺路径有向图网络的优化 本文根据图的基本理论，采用有向图的邻接矩阵来求得所有可行的独立回 收工艺路径，再用本文给出的评价方法对每条可行的回收工艺路径进行评价比 较，最终得到最优的回收工艺路径，即为回收工艺路径有向图网络的最终优化 结果： 4 家电产品回收工艺路径决策评价支持系统的开发 家电产品回收工艺路径决策评价支持系统是综合利用大量数据，有机结合 众多模型( 数学模型和数据处理模型) ，通过人机交互，依据专家知识辅助产品 回收工艺人员进行决策的系统。本文在研究了国内外的相关资料后，分析了家 电产品工艺路径决策评价支持系统的构成，将其分为几个部分，主要包括：信 息输入模块、产品回收工艺路径有向图网络生成模块、产品回收工艺路径有向 图分解摸块、评价指标权重计算模块、最优回收工艺路径搜索和评价模块、前 台系统控制模块、o d b c 驱动管理器、回收工艺信息库、回收工艺方案库、评价 指标信息库以及最优回收工艺路径输出模块等。 开发支持系统的主要目的是向产品回收工艺设计人员提供一个高度集成 的、易于掌握和使用的评价决策系统，使操作者能应用先进的计算机辅助技术 帮助选择最优的冰箱产品回收工艺路径，从而保证能够实现经济效益最优，环 境友好性最佳，资源和能源的再利用率最高的产品回收。 第二章产品回收工艺路径的评价及优化 对于待回收的产品，不同的回收厂家会根据自己企业的设备情况、当地的 资源、能源等因素，选择不同的回收工艺路径。因而，产品回收工艺路径的选 择是一项涉及多学科内容的工作，要求有大量的工艺、经济、环境、法律和法 规等方面的知识和数据作支持。在所有可行的回收工艺路径中，哪一条是最优 的，需要用适当的方法去评价决策。 为了将多层次、多因素、多阶段的复杂评价决策问题用科学的方法进行量 化比较，首先必须建立能够衡量产品回收工艺路径优劣的统一标准，也就是产 品回收工艺路径决策评价指标体系。该指标体系是回收企业选择回收工艺路径 的主要依据，因此它必须能够科学地、客观地、并且要尽可能全面地反映产品 回收工艺路径的优劣，同时也应有利于采用一定的评价方法进行多指标评价。 在建立了客观、公正的决策评价指标体系之后，还需要考虑选择一种简单、可 靠、实用的评价方法进行决策评价。产品回收工艺路径的评价，涉及了多个评 价因素和评价准则，因而评价方法的合理选用将会直接影响优化运算的速度和 评价结果的可靠性。 本章针对产品回收工艺路径决策评价的多阶段、多目标的特点，用层次法 建立了树结构的回收工艺路径评价指标体系，应用了理想点相对接近度比较方 法对回收工艺路径网络有向图中所有可行的独立回收工艺路径进行评价比较， 力求得到最优回收工艺路径，从而为我们进行经济性最优、环境性最佳、资源 能源再利用率最高的产品回收提供决策帮助。 2 1 产品回收决策评价指标体系 决定产品回收工艺路径是否可行的主要因素有：回收过程的经济性、环境 友好性、以及该过程是否有利于节约资源和能源。经济效益是人们从事回收活 动的直接原动力，而资源、能源和环境问题都是我们实行可持续发展过程中不 可忽略的问题。所以产品回收工艺路径的评价指标主要应该包括经济性指标、 环境性指标以及资源再利用的相关指标“。”1 。经济指标体系包括产品回收收 益、回收成本和违反有关环境法律法规的处罚等；环境指标体系则包括大气影 响、水体影响、土壤影响、人体健康影响四个方面的子指标；资源再利用率指 标体系包括不同级别的再利用指标。本文所建立的树结构指标体系如图2 1 所 示。用这些指标来综合评价回收工艺路径的优劣，能够指导我们兼顾经济、环 境、资源和能源因素，进行正确有效的回收活动。 1 经济指标 这是产品回收过程中最受关心的指标，即要求在整个回收过程中尽可能用 最小的回收成本，产生最大的回收经济效益；即使产品的回收不能带来很大的 经济效益，也希望产品的凹收过程是环境友好的，尽可能减少违反有关环境法 律法规的处罚，从而使回收成本降到最低。 ( 1 ) 产品回收收益 如前所述，废旧家电中有很多可以回收直接再用的零部件。有一些零部件 已经破损不能直接再用，但是其材料的性能仍然保持完好，还可以用来重新制 造成零部件。还有一些部分的材料性能在产品使用过程中已经发生了改变( 例 如，大部分塑料零部件) ，需要对其进行改性处理以便重新利用。因此家电产品 回收根据其回收级别可以分为直接再用，重新制造和改性再利用三个级别。这 样废旧家电产品经过不同级别的回收处理后，可以提供相当数量的可重用零部 件和新的生产原材料。 ( 2 ) 产品回收成本 回收成本是回收工艺路径评价指标体系的一个重要内容。对于同一种待回 收产品，采用不同的回收工艺路径所需要的回收成本不同。回收成本通常包括： 回收过程所花费的劳动力成本，回收过程的动力能源消耗以及产品回收过程所 使用的回收设备的折旧费用。 ( 3 ) 违反有关环境法律法规的经济处罚 在产品回收过程中，许多回收厂家一味地追求经济效益，而忽视了回收过 程的环境友好性。他们在回收过程中排放了大量对人体健康和环境有害的物质； 或是为了节省无害化处理成本，在回收过程终端并没有对有害废弃物作无害化 处理。根据有关的环境法律法规，对于这样的回收厂家应该给予处罚，包括经 济处罚和其它的一些相关处罚。 ! 环境指标 环境指标是用来衡量家电产品回收过程中各种回收工艺的环境友好性。从 影响的级别来看，环境影响指标可以分为全球性环境影响( 如全球变暖和臭氧 层破坏) 、区域性环境影响( 如大气和土壤的酸化、水体富养化、某种毒物影响 等) 、地方性环境影响( 如废弃物产生、特定的对人体健康的毒性影响和生态的 毒性影响) 。按影响对象的种类来分，环境影响指标总的可分为大气影响、水体 影响、土壤影响和人体健康影响“。 ( 1 ) 大气影响 大气是人类赖以生存的最基本的环境要素。在产品回收过程会产生大量 污染大气的有害物质。如冰箱制冷中所用到的c f c 和h c f c 类物质对臭氧层有 很大的破坏作用，以及回收过程中产生的c o 。气体以及其它阻碍地球表面热量散 发的气体会导致全球气候变暖，产生的二氧化硫及其它酸性气体等都会导致大 气酸化。因而在冰箱的回收过程中必须减少或避免这些物质的产生。废旧家电 产品回收过程中的产生的大气污染物种类繁多，主要包括“”“： 导致全球变暖的气体。主要有碳氧化物如一氧化碳、二氧化碳等。 导致大气酸化的气体。主要有硫氧化物如二氧化硫、三氧化硫等。 导致臭氧层破坏的气体。主要有a l c 和嬲f c 等。 有毒物质。氮的氧化物如一氧化氮、二氧化氮，碳氢化合物，氢化物如 氰化氢、硫化氢、磷化氢、氟化氢等。金属及其化合物粉尘如铅、钒及其化合 物、钨及碳化钨等。 在影响全球气候变暖的各种气体中，最具代表性的是c o ：气体，我们可以将 其它各种导致气候变暖的气体的量都转换成产生相同影响的c o ：的量的表示形 式，胃g 1 0 b a w a r m i n gs c o r e ( k g c o ：) 来表示。具体的转换办法是，先确定单位 重量( k g ) 的待转换气体阻碍地表热量散发的效果等同于多少量的c o z 参照气体 用y g h 7 p , 来表示，然后再根据测量到的待转换气体的量k g s u b s t a n c e 来计算 用c 0 一的量表示的全球气候变暖的影响公式如下”。： g 啷k g s u b s t a n c e 在导致大气酸化的所有气体中，s o ! 最具代表性，我们可以选用s o ：作为参 照气体，将其它导致大气酸化的气体的量转换成产生相同影响的大气酸化的s o ： 的量。具体方法与计算全球气候变暖的影响相同，公式如下“： a t m o s p h e r ea c i d i f i c a t i o ns c o r e ( k g s 0 2 ) = 朋p k g s u b s t a n c e 在导致臭氧层破坏的气体中，以c f c 一1 1 最为典型，适合选用c f c 1 1 作为 参照气体，将其它导致臭氧层破坏的气体的量转换成产生相同影响的c f c 一1 1 的 量。公式如下”o3 ： o z o n ed e p e t i o n s c o r e ( k g c f c 一1 1 ) 5 o d p , k g s u b s t a n c e 。 有毒气体通常以氢化物h x 最为典型，可以将回收过程中产生的其它有毒气 体都转换成相同影响的h f 。公式如下“： t o x i c i t yg a ss c o r e ( k g h f ) = 赋k g s u b s t a n c e ， 有毒金属及其化合物粉尘通常以铅化物最为典型，可以将回收过程中产生 的各种有毒金属及其化合物粉都转换为铅化物。公式如下“： t o x i c i t ys o l i ds c o r e ( k g p b ) = t s p , xk g s u b s t a n c e 通过这些转换，可以将许多不同的大气影响指标都进行归一处理，经过归 处理后的指标体系很简单，便于评价比较。 ( 2 ) 水体影响 在家电产品的回收过程中，大量工业废水被排入水体，使地表水和地下水 受到不同程度的污染，水体污染的严重后果不仅在于危及人类身体健康，同时 也对工农业生产造成危害、还可能破坏原有的生态平衡。相唰的回收产品如果 采用不同的回收工艺，产生的工业废水中所含污染物的成分有很大差异，这是 因为各种工艺路径处理的回收产物和所添加的原料不同而造成的。废旧金属混 合物处理所产生的废水中主要含有酚、氰、硫化氰酸盐、硫化物、钾赫、焦油、 石灰、氟化物、硫酸、油、铁的氧化物、悬浮物、锌、锡、镍、铬等，其中以 含氰、含酚废水危害最大；而塑料处理的工业废水主要含有有机化合物，有时 还常含有大量的悬浮物质、硫化物和重金属( 如汞、镉、砷等) ”1 。目前对水 体的评价指标中，常见的评价指标主要有： 水体氧平衡参数指标：包括溶解氧、化学需氧量( c o d ) 、生物需氧量( b o d ) 等”。 重金属污染指标：包括小毒性指标( f e 、m n 、c u 、z n 等) 、大毒性指标( h g 、 c r 、p b 等) 。 有机化合物污染指标：包括酚类、油类等。 无机化合物污染指标：包括铵盐、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、硫化物、 氟化物等。 在评价产品回收过程对水体产生的影响的过程中，通常考虑回收过程所产 生的水体富营养物质增加、有机化合物污染、无机化合物污染及重金属污染。 导致水体富营养物质增加的物质主要有铵盐、磷酸盐以及其它的氮和磷的 化台物。其中以n o 。最为典型，将其它导致水体富营养物质增加的物质的量转换 成相同影响的n o 。的量。公式如下“0 1 ： e u t r o p h i c a t i o ns c o r e ( k gn 0 3 ) 2 础k g s u b s t a n c e 有机化合物污染主要有酚类以及各种油脂类，以苯酚为参照物，将其它有 机化合物的量都转换成相同影响的苯酚的量。公式如下”： o r g a n i cc o m p o u n d ss c o r e ( k gc 6 h 6 0 ) = o c p , k g s u b s t a n c e 无机化合物污染主要有各种盐类和氰化物等，以k n o 。为参照物质，将其它 无机盐的量都转换成相同影响的k n o 。的量。公式如下“： i n o r g a n i cc o m p o u n d ss c o r e ( k gk n 0 3 ) = 唧k g s u b s t a n c e j 重金属污染主要有h g 、c r 、p b 、f e 、m n 、c u 、z n 等，其中以p b 最为常见 将其它重金属的量都转换成相同影响的p b 的量。公式如下“： h e a v ym e t a s e o r e ( k gp b ) = l i m p , k g s u b s t a n c e ( 3 ) 土壤影响 在产品回收过程中会产生一些破坏土壤酸碱性平衡的物质，最典型的现象 是土壤酸化，常见的使土壤酸化的物质是硫的化合物，其中以s o 。最为典型，将 其它硫化物的量转换成相同影响的s o ：的量。公式如下。： s 。i 1a c i d i f i c a t i o ns c o r e ( k gs 0 2 ) = s a p , k g s u b s t a n c e ， ( 4 ) 人体健康影响 在家电产品回收过程中产品回收过程中由于各种机械振动、摩擦、撞击以 及气流扰动会产生工业噪声，这些噪声会对人体健康产生影响。在家电产品回 收过程中也会产生大量的对人体健康有害的空气悬浮微粒，主要包括含有1 0 以上游离二氧化硅的粉尘( 石英、石英岩) ，石棉粉尘及含有1 0 以上石棉的 粉尘，含有1 0 以下游离二氧化硅的滑石粉尘，含有l 0 以下游离二氧化硅的 水泥粉尘，含有1 0 以下游离二氧化硅的煤尘，铝、氧化铝、铝合金粉尘，玻 璃棉和矿渣棉粉尘，烟草及茶叶粉尘，含有1 0 以下游离二氧化硅的不含有毒 物质的矿物性和动植物性粉尘，重金属粉尘等。废旧家电产品回收过程中也会 产生大量的固体废物，这些固体废物如果不加处理直接暴露在空气里会对人体 健康构成危害。 对人体健康产生影响的粉尘大致可分为有毒粉尘和无毒粉尘，有毒粉尘以 铅化物最典型，无毒粉尘以二氧化硅最具代表性。可以将其它各种有毒或无毒 的粉尘的量都分别转换成相同影响的铅或二氧化硅的量。公式分别如下“： t o x i c i t yd u s ts c o r e ( k gp b ) = t d p , k g s u b s t a n c e g e n e r a ld u s ts c o r e ( k g s i 0 2 ) = o d e , x k g s u b s t a n c e 由此可见，通过选取典型的影响物质，经过上面的许多当量转换将各种影 响物质作了归一处理，使得产品回收过程中应该考虑的很复杂的评价内容简单 化了，从而使最终我们得到的评价指标体系便于进行评价比较。 3 资源再利用率指标 资源再利用率指标主要包括在产品回收过程中每个不同级别的