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制造企业生产过程环境影响评估系统研究 吴小珍 武汉科技大学汽车与交通工程学院， 武汉 430081 摘要 制造企业生产过程环境影响评估系统是对产品车间生产过程绿色性进行评估的系统， 通过分析产品在生产过程 各阶段以及整体的资源消耗和环境排放情况， 来评定产品的生产制造过程是否符合绿色制造要求， 以及应该在哪些方 面进行改进， 它是绿色生产过程得以实现的关键之一。研究制造企业生产过程环境影响评估系统的结构， 基于生命周 期评价 LCA 及生态指数 Eco-indicators99 方法建立环境影响评估模型， 探讨生产过程环境影响评估的理论及方法， 最 后通过在车间中电弧焊接过程为实例分析验证了评价模型的可行性。 关键词 生产过程; 环境影响评估; 生命周期评价; 绿色制造 RESEARCH ON THE ENVIRONMENTAL IMPACTS UATION SYSTEM OF MANUFACTURING ENTERPRISES Wu Xiaozhen Institute of Automobile and Transportation Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China AbstractThe environmental impacts uation system is the one uating the greenness of production process by analyzing the resource consumption and environmental emissions. It helps to judge whether or not the production process is environmen- tally friendly and gives the improvement opinions accordingly. It is one of key technologies to realize the green production process. The framework of environment influence uation system was studied. The environment influence uation model was built based on s of life cycle assessment and Eco-indicators99. And the analysis theory and were discussed. Finally，the feasibility of the uation model was confirmed by the example of the arc welding. Keywordsproduction process;environmental impacts assessment;life cycle assessment;green manufacturing 0引言 长期以来， 在我国制造企业生产过程中， 产生了 巨大的能量、 物料资源的消耗， 同时产生的大量废弃 物排放以及生产车间粉尘、 油烟、 水雾、 噪声等， 对自 然环境和人体健康都造成了严重的危害。随着绿色 制造及其相关问题研究的日益深入， 环境影响评估则 是绿色生产过程得以实现的非常重要和关键的一环。 制造企业生产过程环境影响评估系统是对产品 车间生产过程绿色性进行评估的系统， 通过分析产品 在生产过程各阶段以及整体的资源消耗和环境排放 情况， 来评定产品的生产制造过程是否符合绿色制造 要求， 以及应该在哪些方面进行改进。 1生产过程环境影响评估系统 根据制造企业生产过程环境影响评估系统应该 具有的功能， 建立其系统结构图， 如图 1 所示。 图 1生产过程环境影响评估系统结构图 由图 1 可知， 环境影响评估系统首先对待评估的 生产过程实施方案建立环境评估模型， 采用环境影响 分析方法对其进行评估， 找出生产过程中存在的资源 901 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 消耗和环境污染缺陷并反馈给过程控制系统对生产 过程进行优化， 根据优化结果修改评估模型， 进而调 整生产方案， 最终保证车间绿色生产的实现。 环境影响评估针对车间生产过程， 主要评估内容 有 1 生产过程物料资源的消耗状况; 2 生产过程能 源的消耗状况; 3 生产过程对环境的污染状况。其 中包含的各种因素繁多， 既有定性指标又有定量指 标， 因而如何评价生产过程的绿色度是一个十分复杂 的问题。 2生产过程环境影响评价模型及分析方法 图 2生产过程环境影响评价模型 产品生命周期评价 LCA 是一种被广泛研究的 产品全生命周期环境影响评价方法， 自 1996 年被国 际环境管理系列标准 ISO14000 纳入成为其中一个子 系统后， 就奠定了它对产品环境性能评估的权威地 位。ISO 于 1997 年颁布了“生命周期评价原则与 框架” ISO14040 标准， 1998 和 2000 年又相继颁布 了“生 命 周 期 目 标 范 围 的 确 定 及 清 单 分 析 ” ISO14041 、 “生命周期期影响评价” ISO14042 、 “生命 周期评价解 释” ISO14043等 3 个 标 准。 LCA 由于其对人类所从事活动全过程的资源消耗和 造成的环境影响能彻底、 全面、 综合的进行评估， 因而 也被 广 泛 地 应 用 于 生 产 过 程 的 环 境 友 好 性 评 估中 ［ 1］。 然而， 国内 LCA 软件系统及其数据库开发的水 平和国外相比尚有很大差距， 而且国内的 LCA 研究 大都面向产品进行， 对工艺过程的研究较少， 即使面 向工艺过程进行评价， 也没有考虑将具体的工艺参数 和环境性能进行结合， 特别针对我国制造企业粗放型 生产方式现状， 更缺少切实可行的环境影响评估方 法。鉴于此， 本文结合我国制造企业车间生产过程的 特点， 在对生产过程资源环境指标进行分析的基础 上， 参考 LCA 及 Eco-indicators99 方法 ［ 2- 3］， 建立环境 影响评价模型， 如图 2 所示。 第一步 清单分析。对于任何一个环境影响评估 而言， 数据清单分析都是最重要、 最必不可少也是最 繁琐的中心环节。生产过程环境影响评估的清单分 析是针对制造企业车间生产过程各阶段的输入和输 出进行数据收集、 量化、 分析并列出清单分析表的 过程。 第二步 主要环境问题类和环境影响类分析。为 了对清单结果进行数据分析和处理， 最重要的是要选 择相应的环境问题类和环境影响类。 环境问题类反映了团体所关心的主要环境问题， 它直接对应着数据清单分析的结果。一般选择的主 011 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 要环境问题如温室效应、 空气污染等。每一类中的数 值经特征化处理后相加， 就是该类的环境问题类指 数。特征化要求对清单中的每项输出的环境影响程 度进行量化， 一般可采用当量法。例如， 某种物质的 全球变暖影响可以采用 “全球变暖潜势 GWP ” 进行 量化。 环境影响类反映了社会关心的环境影响领域， 表 达了主 要 环境 问题 对 该 环 境 领 域 的 影 响 或 损 害。 LCA 中选择的是将资源耗竭、 生态影响和人体健康 作为环境影响类别。每一类数值经量纲归一化处理， 相加可得到该类的环境影响类指数。 设 X 为清单分析结果的数据集合， X { x1， x2， xn} ， U 代表环境问题类集合， V 代表环境影响类集 合， m、 n、 k、 l、 p、 q 为整数。首先， 按照一定的环境作 用机制， 将 X 中的数据分类到每个 ui类中， 见式 1 。 U { u1， u2， um} 1 其中 ui见式 2 ui { x′1， x′2， ， x′l} ， x′i∈ X 2 对每个 ui类中的数据进行特征化处理， 得到对 应的当量值 x′ic， 相加得该类的特征值指数值 uic ， 见 式 3 uic ∑ l i 1 x′ic 3 根据环境影响机制， 将具有共同环境影响特征的 uic按组划分到环境影响类 vi中， 见式 4 V { v1， v2， ， vi} 4 其中 vi见式 5 vi { u′1c， u′2c， ， u′pc} ， u′ic∈ uic 5 对每个 vi中的每个数据按照一定的量纲条件进 行归一化处理， 得到同一量纲的数值 v′i， 相加可得该 类的特征值指数， 见式 6 vic ∑ p i 1 v′i 6 第三步 权重分析。权重分析是主观因素的数据 处理方法， 在 Eco-indicators99 方法中， 对 3 类环境影 响的权重分别是 资源耗竭 0. 2; 生态影响 0. 4; 人体 健康 0. 4。本文环境影响评估的权重即采用该值。 将各类指数按权重值相加就可以得到生产过程环境 影响总指数 GEIA， 见式 7 GEIA ∑ q i q wivic 7 式中wi 各类环境影响的权重值。 3生产过程环境影响评估实例 在实例研究中， 以车间手工电弧焊接工艺过程为 例， 验证生产过程环境影响评估模型的可行性。 焊接是利用电能加热， 促使被焊接金属局部达到 液态或接近液态， 而使之结合形成牢固的不可拆卸接 头的工艺方法。焊接过程中产生的污染种类多， 危害 大， 能导致多种职业病 如焊工硅肺、 锰中毒、 电光性 眼炎等 的发生， 已成为一大环境公害。据统计， 焊 接消耗总量的 0. 5 ～ 1 转换成了有害的烟、 尘、 气， 污染着环境。 电弧焊消耗的物能资源主要为焊条及其辅助材 料如保护气体、 钨极、 焊剂、 氧气、 燃气等。消耗的能 源为电能， 电弧将电能转换为热能， 利用这种热能来 加热、 熔化焊条与工件。 焊接工艺过程会产生大量的废气、 烟尘以及一定 数量的固体废料等。其中废气和烟尘对环境的影响 较大。焊接区内的气体主要来源于 一是为了保护焊 接区域不受空气的侵入， 人为地在焊接区域添加一层 保护气体， 如药皮中的造气剂 淀粉、 木粉、 大理石 等 受热分解产生的气体、 气体保护焊所采用的保护 气体 CO2气体、 氩气 等; 其次是用潮湿的焊条或焊 剂焊接时析出的气体、 焊丝和母材表面上的杂质 油 污、 铁锈、 油漆等 受热产生的气体， 以及金属和熔渣 高温蒸发所产生的气体等。焊接过程所产生的弧光、 噪声、 高频电磁场、 热辐射、 放射性等对人类的健康也 造成了很大危害。 3. 1电弧焊接过程环境评估模型 在某车间手工电弧焊接过程中， 检测到的主要污 染排放有 SiO2、 钾、 CO2、 NO 和氟化氢等， 清单见表 1， 建立环境评估模型如图 3 所示。 3. 2评估模型各影响类指数的计算 模型中针对焊接工艺自身的特点， 对人体健康造 成危害的指标包括 皮肤伤害 D、 眼睛伤害 E、 口服毒 性 O、 呼吸危害 I。对这些危害指标， 本文采用简化的 健康危害指数法 ［ 4］， 具体如下。 1 皮肤伤害 D。把物质对皮肤伤害的影响程度 分成 4 个等级 严重、 中等、 一般、 没有影响; Effect 得 分为 3、 2、 1、 0。再把对皮肤造成伤害的物质的剂量 分为 3 个等级， Dose 得分为 1、 2、 3。那么最终 D Effect Dose。如表 2 所示。 2 眼睛伤害 E。最终 E Effect Dose。如表 3 所示。 111 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 图 3某车间电弧焊接工艺过程的 GPDM 环境评估模型 表 1电弧焊接工序基本信息 工艺条件母材牌号 Q235规格 δ 8 mm 焊接材料焊条 E5015规格 φ 4 mm 保护气无 电焊机型号 BX1 － 330 工艺参数电流种类交流 极性无 电弧电压 /V24 焊接电流 /A300 物能资源 消耗 焊条150 g 能源消耗电能 / kWh2. 9 环境排放固体排放 / mgkg － 1 钾 0. 2 气体排放 / mgm － 3 SiO 2 10. 7 CO210 500 HF1. 4 表 2皮肤伤害 D 得分影响程度得分剂量 /mg 3严重1 500 0没有影响 3 口服毒性 O。最终 O Effect Dose。如表 4 所示。 4 呼吸危害Ⅰ。最终 I Effect Dose。如表 5 所示。 表 3眼睛伤害 E 得分影响程度得分剂量 /mg 3严重1 500 0没有影响 表 4口服毒性 O 得分影响程度得分剂量 / mgkg － 1 3致命毒性1 500 0没有毒性 表 5呼吸危害Ⅰ 得分影响程度得分剂量 / mgm － 3 3致命毒性1 500 0没有毒性 根据简化的健康危害指数法得到本次电弧焊接 过程的人体健康影响总指标 H 4 6 5 9 24。 如表 6 所示。 表 6人体健康危害指标数值 项目DEOI CO20003 HF3322 SiO20213 钾1121 ∑4659 在图 3 的模型中还看到， 焊接产生的 CO2引起 了温室效应， 对生态环境造成了影响。温室气体所引 211 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 起的温室效应影响用全球变暖潜力值 GWP global warming potential 来衡量。根据联合国政府间气温 变化专业委员会 IPCC 的报告， 以 100 年影响尺度 为计， GWP 单位 二氧化碳当量 计算见式 8 ［ 5］。 GWP f CO2 /12 44 f CH4 /12 16 21 f N2O /28 44 310 8 式中f CO2 CO2净排放量， kg; f CH4 CH4排放量， kg; f N2O N2O 排放量， kg。 清单列表 1 中， 焊接产生的 CO2每立方米空气 中含 量 为 10 500 mg， 根 据 式 8 ， 相 应 的 GWP 0. 0385 二氧化碳当量。 根据以上的分析， a. 资源耗竭类影响指标 焊条 消耗量 0. 15 kg; 电能消耗量 2. 9 kWh 。 b. 生态影 响类影响指标 全球变暖潜力值 GWP 0. 0385 二氧化 碳当量。c. 人体健康类影响总指标人体健康影响 总指标 H 为 24。 3. 3电弧焊接过程环境影响总指数 GEIA焊的计算 对上面得到的各项指标进行量纲的归一化处理。 归一化的方法是 对于资源消耗， 采用其资源利用率; 对于其他环境影响类， 则用实际指标的数值除以该类 指标在一定条件下所允许的最大值。 对于人体健康， 此次焊接过程可能达到的最大值 为 72， 那么人体健康影响总指标 H 归一化后的值 H′ 24 /72 0. 34。 对于全球变暖潜力值 GWP， 焊接所允许的 CO2 浓度为36 000 mg/m3， 那么归一化后的 GWP′ 0. 29。 根据计算焊条的资源利用率 P焊条 0. 62， 对资 源耗竭的影响P′焊条 1 － 0. 62 0. 38， 电能的资源利 用 率 P电能 0 . 7 5 ， 对 资 源 耗 竭 的 影 响 P′ 电能 1 － 0. 75 0. 25。 加权计算得到此次焊接过程的最终环境影响总 指数 GEIA焊 0. 38 0. 25 0. 2 0. 34 0. 4 0. 29 0. 4 0. 126 0. 136 0. 116 0. 378 从计算结果可见， 焊接是一个对人体健康损伤很 大的工种。同时， 此次焊接过程对资源耗竭的影响也 较大。这是由于此次手工电弧焊接过程采用的是焊 条， 其原材料 焊条 的利用率太低， 如果采用焊丝 后， 则原材料 焊丝 的利用率最高可以达到 0. 98。 其次， CO2对全球变暖也有一定影响， 应该从降低 CO2浓度的角度改进焊接的绿色性。 4结论 1 建立了生产过程环境影响评估系统的结构 图， 分析了车间生产过程中的物料资源和能源的消耗 指标以及环境污染排放影响指标体系。 2 建立了生产过程的环境影响评价模型及其分 析方法， 并通过对电弧焊接过程的实例分析证明了评 价模型的可行性。 参考文献 ［ 1］ 戴宏民， 戴佩华. 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