第十四章-绿色制造与环境.ppt

1 绿色制造与环境 2 第一节绿色制造的基本概念 环境问题资源问题人体健康问题 3 水污染 1998年全国废水排放总量为394 4亿吨 其中生活污水排放量194 0亿吨 工业废水排放量200 4亿吨 废水中COD排放总量1503万吨 其中生活COD排放量695万吨 工业COD排放量808万吨 4 固体废物 1998年 我国工业固体废物产生量8 0亿吨 排放量0 7亿吨 5 废气 1998年 对我国约130万个工业企业的排污状况的调查表明 在废气中二氧化硫排放总量2087万吨 烟尘排放总量1335万吨 工业粉尘排放量1344量万吨 6 噪声 全国90 的城市道路交通噪声处于轻度至中度污染水平 年际间全国平均声级变化不大 全国一半以上城市区域环境噪声居于中等污染水平 少数小城市污染严重 重点城市稳中略有好转 7 温室效应 8 臭氧层破坏 图为2000秋季南极上空的臭氧洞 其中紫色 红色 深酒红 灰色代表臭氧洞 南极上空70 的臭氧遭到破坏 9 全球酸化的敏感程度 10 11 富营养作用 全球氮富营养临界负荷的分布 不同的环境影响结果 13 水资源 1998年度我国十大流域 水系 中 63 的监测断面水质超过 类标准 辽河 海河污染严重 以 类或劣 类水质为主 松花江以 类水质为主 淮河干流水质有所好转 但总体水质依然较差 黄河干流局部河段污染严重 长江干流和珠江水系水质良好 近岸海水水质三类及劣于三类占一半以上 南海在四个海区中水质最好 黄海次之 东海污染最重 14 沙漠化 据估计 全球约有29 的陆地呈现荒漠化 35 的土地处于荒漠化威胁之下 严重荒摸化的土地占6 同时 水土大量流失 全球每年水土流失约240亿吨 我国每年因土壤流失而损失的土地营养成分高达13 39亿吨 相当于46 7亿吨化肥 15 资源 矿产资源据统计 按照当前的资源消耗率和开采量 在现有探明的矿产资源中 估计石油可供使用30年 铁可供使用93年 天然气可供使用58年 煤可供使用226年 生物资源环境污染已严重威胁到生物的多样性 自1600年以来 已有724个物种灭绝 目前还有3956个物种濒临灭绝 3647个物种为濒危物种 7240个物种为稀有物种 16 人体健康 环境污染对人体健康不仅会产生直接影响 还会产生间接影响 直接影响 例如 随着各种新材料 新工艺的采用 我国出现了一些过去未发生或者很少发生的职业病 如正已烷中毒 三氯甲烷中毒 三氯乙烯中毒等 间接影响 以温室效应为例 全球变暖会通过改变大气中污染物的化学反应速度或通过影响调节污染物如何积累和分散的风或降水等因素 来影响空气污染状况和来自接触被污染空气的健康影响 例如旧金山湾地区的环境温度提高4 便可能提高臭氧水平20 并使不符合国家空气质量标准的地区面积扩大1倍 又如受全球变暖影响的疟疾蔓延的概略模型表明 到2100年 伴随全球平均气温上升3 每年疟疾病将增加5000万 8000万例 17 环境污染造成的经济损失 治理费用1998年全国工业污染治理投资244亿元 城市环境基础设施建设投资估计560亿元 总投资预计超过GDP的1 全国工业废水处理率为87 4 达标率65 3 工业烟尘达标率79 5 总的经济损失估计世行专家估计 按照1995年经济增长速度为10 我国仅大气污染和水污染每年造成的损失即高达540亿美元 这个数字接近1995年中国国内生产总值的8 18 警钟 科学家在 世界自然资源保护大纲 中痛心地写到 地球不是我们从父辈那儿继承来的 而是从我们后辈那儿借来的 这句话发人深思 我们这一代人不能因为自己的私欲而肆意滥用资源 污染环境 破坏生态 把一个破损 污秽不堪的地球留给我们的子孙 让他们谴责我们的无知 贪婪和短视 应该意识到 我们只有一个地球 可持续发展成为了社会发展的必然 19 可持续发展思想的形成 一 可持续发展 SustainableDevelopment 思想起源于环境保护 但却是对人类传统发展模式 尤其是对工业革命以来的所有物质和精神文明成果的反思 它的形成经历了一个漫长的过程 1972年6月5日 联合国在瑞典斯德哥尔摩召开了有114个国家代表参加的 人类环境会议 并通过了著名的 人类环境宣言 宣言中明确指出 为了这一代和将来世世代代 保护和改善人类环境已经成为人类一个紧迫的目标 这个目标将同争取和平 全世界的经济与社会发展这两个既定的基本目标共同协调地发展 保护和改善人类环境是关系到世界各国人民的幸福和经济发展的重要问题 也是世界各国人民的迫切希望和各国政府的责任 该会议标志着人类环境时代的开始和可持续发展思想的萌芽 20 可持续发展思想的形成 二 1980年 国际自然资源保护联合会 联合国环境规划署和世界基金会共同发表了 世界自然保护大纲 大纲中对可持续发展思想进行了较为系统的阐述 指出 人类利用对生物圈的管理 使生物圈既能满足当代人的最大持续利益 又能保持其满足后代人需求与欲望的能力 1987年 挪威前首相布伦特兰夫人领导的联合国环境与发展委员会发表了一份题为 我们共同的未来 的报告 该报告第一次对可持续发展的概念进行了科学的论述 指出 可持续发展是在满足当代人需求的同时 不损害人类子孙后代的满足其自身需求的能力 它标志着可持续发展思想逐步走向成熟和完善 21 可持续发展的内容 一 从经济学的角度出发 对可持续发展的一般理解为 在环境得以持续发展的制约条件下 使环境资源的利用效益达到最大化 从社会学的角度出发 可持续发展被定义为 改进人类的生活质量 同时不要超过支持发展的生态系统的承受力 从生态学的角度出发 可持续发展被定义为 寻找一种最佳的生态系统和土地利用的空间构形 以支持生态的完整性和人类愿望的实现 使环境的持续性达到最大 22 可持续发展的内容 二 从地理学角度出发 所强调的是区域可持续发展 并认为可持续发展的核心是 人与地球 的关系 从工业技术的角度出发 可持续发展就是指借助各种技术手段 在产品寿命循环全过程的各个环节中采取措施 使产品在其生产 使用以及回收处理中节省能源和资源 减少或消除环境污染 并保护劳动者的健康和安全 23 可持续发展的内容划分 从宏观层上讲 可持续发展就是要保持人与自然的共同协调发展 达到人与自然的共同繁荣 从中观层上讲 可持续发展是指处于一定区域的人口 环境 经济和社会的协调发展 强调在资源 包括能源 和环境得到合理持续利用与保护的条件下 取得最大的经济效益 社会效益以及生态效益 从微观层上讲 可持续发展就是借助各种技术手段 使人类社会的各种生产活动节省能源和资源 减少或消除环境污染 保护劳动者的健康和安全 24 制造业的环境 资源问题 环境污染主要源于工业的非 绿色 行为 尤其是制造企业 据统计 造成全球环境污染的70 以上的排放物来自制造业 它们每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物 面对严峻的环境现状和社会各界的压力 各国政府都采取了积极地态度 提出了相应的环保措施和对策 例如增大环保投资 建设污染控制和处理设施 制定污染物排放标准 实行环境立法等 以控制和改善环境污染问题 25 ISO14000系列标准 26 ISO14000系列标准内容 按照ISO14000系列标准的功能 可以分为两类 第一类 评价组织环境管理体系 环境行为评价 环境审核第二类 评价产品生命周期评估 环境标志 产品标准中的环境指标 27 国内外相关法律法规 28 末端治理及问题 但是十多年的实践表明 这种仅着眼于末端治理 End of Pipe 即通过治理污染物达标排放的办法 虽能在一定时期内或在局部地区起到一定的作用 但并不能从根本上解决工业污染问题 其原因在于 末端治理技术总是滞后于污染的形成 末端治理办法 不仅需要投资 而且使一些可以回收的资源 包含未反应的原材料 得不到有效的回收利用而流失末端治理在许多情况下并不是治理污染 而是污染转移 29 绿色制造的提出 面对末端治理的问题 严重的环境和资源问题 全球迅速掀起了一场 绿色浪潮 各种新概念 新思想不断涌现 绿色制造 绿色设计 清洁生产 生命周期分析 绿色消费 绿色营销 绿色产品 再制造工程 工业生态学 30 绿色制造的研究现状 从九十年代开始 绿色制造的研究和应用更是受到各国政府 企业和学术界的关注 1996年 美国制造工程师学会专门发布了绿色制造的蓝皮书 对绿色制造的内涵进行了系统介绍 从1998年起 该学会还在其网站上设立了 绿色制造 栏目 国际生产工程学会和电气和电子工程师协会每年都要举办有关绿色制造方面的专门会议 探讨产品设计和制造中的环境问题 世界上的著名大学 如美国MIT 伯克利 斯坦福 密歇根 卡内基梅隆 荷兰的德尔福特大学 德国的柏林工大 日本的东京大学 澳大利亚的墨尔本工业大学以及我国的清华 上海交大 重大 合肥工大等 和企业 如IBM Benz GM Ford Philips等 均投入了大量人力 物力和财力开展这方面的研究 特别是近年来 国际标准化组织制定的ISO14000环境管理系列标准 更是大大推动了绿色制造地发展 有关绿色制造的研究主要集中在以下两个方面 31 绿色制造体系结构研究 要在制造企业中实施绿色制造 首先要确定绿色制造的体系结构 以便指导具体的实施过程 但由于绿色制造的概念和内涵还处于探索阶段 还未形成完整的体系结构 目前在这方面的研究工作主要有 绿色制造的体系结构 重大刘 BENZ的清洁生产体系清洁生产体系结构 重大张 32 绿色制造的体系结构 重大刘 33 BENZ的清洁生产体系 34 第二节清洁生产 图1 2 3清洁化生产系统体系结构 35 绿色制造理论 方法研究 产品生命周期分析面向环境的设计再制造工程工业生态学 36 产品生命周期分析 生命周期分析 LifeCycleAnalysis 简称LCA 是在二十世纪六十年代末和七十年代初提出的 其主要分析评价的对象是产品的包装物 随着人们环境意识地进一步增强 产品生命周期分析逐渐受到社会各界的关注 应用范围也逐步拓宽到冰箱 汽车等复杂产品 世界各国的许多研究机构 如SETAC 丹麦技术大学的生命周期研究中心LCC等 都建立了工作组从事有关LCA的方法研究 并已取得了一定的进展 37 LCA工具总汇 38 SimaproLCA工具 39 LCA的标准化 1993年以来 国际标准化组织 ISO 便开始进行LCA的国际标准化研究 LCA的普通标准已于1997年完成 并编制在ISO14040中 现在有关LCA不同阶段的更详细的标准正在制定中 它们包括 目标确定 范围确定 清单分析 影响分析 方法解释 1995年5月 欧洲标准化组织CEN发表了一个被称为CEN的报告 与ISO标准比较 它只是一个针对包装阶段的详细的指南而已 40 面向环境的设计 绿色设计中的材料选择与绿色材料面向资源优化利用的设计节能设计面向拆卸回收的设计 41 绿色设计中的材料选择 材料选择是实现绿色产品的关键和前提 如何改变现有设计中只注重材料技术和经济性的材料选择思路 将环境问题纳入设计开发之中 已经成为绿色设计的重要内容 目前主要的研究工作表现在 研究绿色设计中的选材准则 如优先选用可再生材料 回收材料 可降解材料等 建立材料的环境负担数据库和专家系统 收集整理其生命周期的各种环境数据和知识 研究材料生命周期评价的方法 开发各种材料生命周期评价系统计算机软件 42 绿色材料的研制 所谓绿色材料 也称为生态材料 是指在满足一般功能要求的前提下 具有良好的环境兼容性的材料 目前绿色材料发展的诸多方向 如材料的轻量化设计 长寿命设计 生物降解材料的开发等 目前 绿色材料的开发工作已经取得了一定的进展 如英国ICI综合化学公司利用名为Alcaligenceseutrophus的微生物将葡萄糖和丙酸发酵合成为共聚聚酯 美国瓦那 兰巴特制药公司推出了药用淀粉胶囊以及热塑性生物降解塑料 意大利孟特爱迪生集团的诺瓦孟特公司用淀粉和变性聚乙烯醇的混合物开发了名为 Mater Bi 的生物降解塑料 日本工业技术院四国工业技术研究所开发出了纤维素 脱乙酰多糖天然高分子的复合生物降解塑料等 43 节省资源设计和节能设计 节省资源和能源是产品设计的一个重要内容 目前在这方面的研究很多 如 建立资源消耗模型 资源消耗评估体系 二维优化下料理论及技术 各种节能技术等 在这儿就不多谈了 44 产品的可拆卸性设计 产品易拆卸性是衡量产品易回收和易维修的重要指标 因此对产品的可拆卸性设计已成为设计领域的研究热点 尽管人们结合生产实践提出了一些可拆卸性设计准则 但如何在设计中客观的贯彻这些经验 准则还有待探索 目前可拆卸性设计研究主要集中在 收集整理DfD的有关知识 提出DfD的设计准则 如减少所用材料的种类 尽量减小零部件拆卸方向和移动的复杂性等 拆卸的可行性评估 例如借助产品的几何信息进行评估 利用零部件之间的结合面来判断产品的可拆卸性 另外还有基于成本的方法 虚拟拆卸等方法创建新的DfD方法和工具 从事这方面研究的人还较少 并且成果多是与CAD集成的专家系统 45 产品的可回收性设计 产品报废后的回收利用能有效地节省原材料 减少废弃物对环境的危害 欧美 日本等发达国家制定的回收法规已引起了学术界和工业界的高度重视 Alting提出了面向回收的设计的概念 即在产品设计时 就考虑到产品未来的回收及再利用问题 从而大大提高产品 零件的回收利用率 节省资源和能源 并对环境影响最小 可回收性设计主要包括 可回收材料及标志 回收工艺及方法 回收经济性及可回收产品及零部件的结构设计等等 美 德 日等西方发达国在汽车 家电等行业应用面向回收的产品设计思想 取得了良好的社会 经济效益 柯达公司采用可回收性设计思想开发的 相迷救星 相机销量最大 赢利最高 另外 欧委会还成立了有政府和工业界代表组成的工作组 着手提高废旧汽车的回收利用率 46 面向拆卸回收的设计的主要准则 一 明确拆卸对象对有毒或者轻微毒性的零件或再生过程中会产生严重环境问题的零件应该拆卸 以便于单独处理 如焚化或填埋 对于由贵重材料制成的零部件应能够拆卸 实现零部件重用或贵重材料的再生 对于制造成本高 寿命长的零部件 应尽可能易于拆卸 以便直接重用或再制造后重用 47 面向拆卸回收的设计的主要准则 二 尽量减少拆卸工作量尽量使用标准件和通用件 减少拆卸工具数量和种类 增加自动化拆卸的比例 尽量减少零部件数量 把由多个零件完成的功能集中到一个零件或部件上 从而缩短拆卸时间 尤其对于工程塑料类材料 因为它具有易于制成复杂零件的特点 所以特别适于零件功能集成 见图 尽量减少材料种类 Whirlpool公司一家德国协作公司将包装材料的种类由20种减少到4种 使废物处理成本下降了50 尽量使用兼容性好的材料组合 如线路板是由环氧树脂 玻璃纤维以及多种金属构成的 由于金属和塑料之间的相容性较差 目前线路板的回收问题还一直困扰着企业界 常用热塑性材料相容性见表 48 面向拆卸回收的设计的主要准则 三 在结构上尽量简化设计 减小拆卸难度尽量减少联接件的数量 一般来说 联接件越少则意味着拆卸工作也越少 尽量减少联接件的类型 减少联接件类型 有助于减少拆卸工具的数量 减少拆卸工艺的设计 尽量使用易于拆卸或者易于破坏的联接方式 设计时应确保产品具有良好的可达性 给拆卸 分离等操作留有合适的操作空间 例如在零件表面应该给拆卸操作留有可抓持的空间特征 以便零部件处于自由状态时 可以轻松的抓取 49 面向拆卸回收的设计的主要准则 四 易于拆卸设计合理的拆卸基准 设置合理的排放口位置 有些产品在废弃淘汰后 往往含有部分废液 如汽车中的汽油或柴油 润滑油 机床中的润滑油等 刚性零件准则 产品设计时 尽量采用刚性零件 因为非刚性零件的拆卸过程比较麻烦封装有毒 有害材料 最好将有毒 有害材料制成的零部件用一个密封的单元体封装起来 便于单独处理 尽量使用简单的拆卸路线 简单的拆卸运动 有助于实现拆卸过程的自动化 50 面向拆卸回收的设计的主要准则 五 易于分离一次表面准则 即组成产品的零件 其表面最好是一次加工而成 尽量避免在其表面上再进行诸如电镀 涂覆 油漆等二次加工 因为二次加工后的附加材料往往很难分离 它们残留在零件表面则形成材料回收时的杂质 影响材料的回收质量设置合理的分类识别标志 以便分类回收模压标志 条形识别标志 颜色识别标志尽量减少镶嵌物 通常 当零部件中镶嵌了其它种类的材料会大大增加产品回收难度 51 面向拆卸回收的设计的主要准则 六 产品结构的可预估性准则 产品在使用过程中 由于存在污染 腐蚀 磨损等 且在一定的时间内需要进行维护 这些因素均会使产品的结构产生不确定性 即产品的最终状态与原始状态之间发生了较大的改变 为了在产品废弃淘汰时 其结构的不确定性减少 设计时应该遵循以下准则 避免将易老化或易腐蚀的材料与需要拆卸 回收的零件组合要拆卸的零部件应防止外来污染或腐蚀 52 面向拆卸回收的设计的评价体系 面向拆卸回收的设计的评价过程就是对设计方案进行评价 修改 再评价 再修改 直到满足设计要求的动态过程 评价的主要问题包括用什么指标评价来描述产品的拆卸回收性能 怎样进行评价 用什么标准来衡量评价结果 因此 提出一套完整的拆卸回收性评价指标体系是评价系统的基础 拆卸回收的评价体系主要由以下几部分组成 产品的拆卸 装配 产品的重用 回收 处理 材料选择 产品的可维修性能 基本框架如图所示 面向拆卸回收的设计的评价体系框架 54 面向拆卸回收的设计的常用指标 一 标准拆卸时间 是指一个一般熟练的工人 手工拆卸 或者一台拆卸机器人的平均拆卸时间 对标准动作进行分析 汇总 对待评价动作进行分解 使之变成一系列标准动作 拆卸能量 产品拆卸必然要消耗能量 联接方式不同 消耗的能量也不同 因此 可以用拆卸能量来反映拆卸的难易程度 其值大小可以根据不同的力学公式计算 55 面向拆卸回收的设计的常用指标 二 拆卸的几何约束 拆卸的几何约束主要包括视觉可达 实体可达 空间可达等方面 视觉可达是指在拆卸操作时 操作者应能看到产品的内部结构 并有足够的空间允许拆卸人员进行不同角度的观察 实体可达是指在拆卸过程中 操作人员身体的某一部分或工具能够接触到被拆卸对象或拆卸部位 空间可达 是指对拆卸的部位进行拆卸操作时 其周围要有足够的拆卸操作空间 以方便拆卸 56 面向拆卸回收的设计的常用指标 三 拆卸深度 拆卸深度既关系到产品报废后的资源再生率 又关系到拆卸的经济性 一般来讲 拆卸深度越深 零部件和资源的回收再利用率就越高 回收的资源价值也越大 同时 随着拆卸程度的加深 相应拆卸成本也上升 因此存在一个最优 最佳 拆卸深度 57 拆卸的工艺设计 58 第三节绿色再制造技术 面对处理大量失效 报废产品 1996年全球有2400万辆汽车 2000年全球有2000万台计算机被淘汰 这一严峻问题 再制造工程应运而生 美国罗切斯特理工学院建立了全国再制造和资源恢复中心 田纳西大学绿色产品和技术研究中心将进行汽车行业的再制造技术研究 凯南 弗拉格勒商学院开展了逆向后勤学的教学 目前美国军队是世界上最大的再制造者 也是最大的受益者 根据美国波士顿大学教授罗伯特 伦德收集的1996年统计资料表明 美国再制造行业产值530亿美元 雇佣48万人 1999年4月27日 今日美国报 报道 福特公司正在建立旧部件交流中心 充分回收再制造的部件 预计将实现10亿美元 年的营业额 德国 商报 1999年1月在文章 未来10年的科技 中认为 2006 2007年全球汽车的材料和部件的90 均可以重新使用 59 再制造工程的定义 再制造工程是一个统筹考虑产品部件全生命周期管理的系统工程 是利用原有零件并采用再制造成型技术 包括高新表面工程技术及其它加工技术 使零部件恢复尺寸 形状和性能 形成再制造的产品 主要包括在新产品上重新使用经过再制造的旧部件 以及在产品的长期使用过程中对部件的性能 可靠性和寿命等通过再制造加以恢复和提高 从而使产品或设备在对环境污染最小 资源利用率最高 投入费用最小的情况下重新达到最佳的性能要求 60 再制造的过程 61 再制造技术 62 工业生态学的定义 工业生态学描述的是一种工业仿生系统 它通过模仿生态系统物与物之间的关系来实现工业系统的可持续发展 在该系统中一种工业活动的废物 产出 是另一种工业活动的原材料 投入 63 工业生态学的意义 工业生态学认为 一个工业生态系统 完全可以像一个生物生态系统那样循环运行 植物吸取养分 合成枝叶 供草食动物享用 草食动物又为肉食动物所捕食 而它们的排泄物和尸体又成为其他生物的食物 由于工业生态系统可大幅度削减污染和原材料需求 因此被认为是解决当今环境污染 资源枯竭以及能源短缺问题的有效方法 64 工业生态学的发展 一 工业生态学的经过了30年的发展 总的来说收获较小 70年代中期 孕育阶段 在联合国环境规划署 联合国工业发展组织和联合国欧洲经济委员会等机构内 各种见解沸沸扬扬 例如 1976年联合国欧洲经济委员会组织了一次名为 技术与无废料生产 的报告会 会议提出了不少类似于清洁生产和工业生态学的观点 1977年 美国地球化学家普雷斯顿 克罗德在给德国地球学年会的一篇学术报告中按目前的定义首先 或至少首批之一 使用了 工业生态学 一词 65 工业生态学的发展 二 80年代 由美国的罗伯特 艾瑞斯和瑞士的彼得 巴切尼各自独立地提出了工业代谢理论 在80年代初 纽约州立大学的生态教育学家查尔斯 哈尔开始讲授工业生态学并出版著述 同一时期 巴黎的一位大学教授雅克 维尼龙也以独立的方式试图推动工业生态学这一概念 在俄罗斯也一样 蒙德莱夫 Mendeleiev 化工学院从10年前起就开设了一个工业生态系