湯可石, 王玉琳

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

產(chǎn)品拆解過(guò)程的碳排放分析

湯可石, 王玉琳

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

針對(duì)產(chǎn)品拆解過(guò)程中的碳排放問(wèn)題,文章提出了一種解算方法,建立了一套以碳排放量值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的拆解評(píng)價(jià)體系。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品零部件拆解序列進(jìn)行規(guī)劃排序,根據(jù)產(chǎn)品拆解路徑得出每步所需要的拆解類(lèi)型,解算出拆解過(guò)程中能耗的大小,使得不同零件聯(lián)接類(lèi)型的拆解能耗都有一個(gè)量化標(biāo)準(zhǔn),以此進(jìn)一步解算出在整個(gè)拆解過(guò)程中碳排放的量級(jí),最終能夠針對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境友好性目標(biāo)給出一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)。該文以空調(diào)外機(jī)的拆解為例,根據(jù)所提出的方法解算出空調(diào)外機(jī)拆解的碳排放當(dāng)量,利用GaBi軟件解算出空調(diào)外機(jī)全生命周期的碳排放量,通過(guò)對(duì)比得出空調(diào)外機(jī)拆解過(guò)程的環(huán)境友好性評(píng)價(jià)。

拆解;碳排放;能耗;生命周期分析

目前低碳設(shè)計(jì)已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)外在研究產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響時(shí),主要以碳排放量指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),即分析計(jì)算整個(gè)生命周期中產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的碳排放量的大小。文獻(xiàn)[1]提出了產(chǎn)品的多層次碳足跡分析方法,構(gòu)建了產(chǎn)品多層次碳足跡分析模型,探索了該方法在低碳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;文獻(xiàn)[2]對(duì)零部件之間聯(lián)接單元的碳足跡進(jìn)行了遞歸分配,利用層次分析法提出了一種計(jì)算聯(lián)接單元碳足跡的方法;文獻(xiàn)[3]研究了家電產(chǎn)品生命周期內(nèi)使用階段的碳排放量,并且針對(duì)化石燃料在使用過(guò)程中溫室氣體排放的問(wèn)題,提出了一種有效的評(píng)估方法;文獻(xiàn)[4]提出了溫室氣體排放當(dāng)量的估算模型,根據(jù)其研究成果推薦了一種產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)的方法;文獻(xiàn)[5]通過(guò)生命周期分析法,對(duì)機(jī)床整個(gè)生命周期中的碳排放進(jìn)行了評(píng)估,得出了一種針對(duì)機(jī)床的碳排放量計(jì)算方法。

目前關(guān)于產(chǎn)品碳足跡的研究已經(jīng)取得了不少成果,但仍有一些不足。首先,在建立碳足跡模型時(shí),針對(duì)不同的研究對(duì)象會(huì)得出不同的結(jié)果,關(guān)于能量輸入的主觀選擇因素較強(qiáng),這些都會(huì)影響產(chǎn)品碳排放的計(jì)算結(jié)果;其次,當(dāng)前的碳排放研究主要集中在生命周期相對(duì)重要的幾個(gè)階段,例如材料的加工階段、零部件的制造階段以及產(chǎn)品的使用階段等,而忽略了產(chǎn)品在拆解過(guò)程中所造成的碳排放。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文將以零部件的拆解序列為基礎(chǔ),以零部件的聯(lián)接特征為碳排放解算對(duì)象,估算產(chǎn)品拆解的碳排放量。拆解碳排放解算流程如圖1所示。

圖1 拆解碳排放解算流程

1 拆解能耗碳排放量化

1.1 產(chǎn)品的拆解路徑規(guī)劃

產(chǎn)品拆解路徑規(guī)劃可以歸結(jié)為約束優(yōu)化問(wèn)題。研究人員根據(jù)產(chǎn)品裝配信息來(lái)獲得產(chǎn)品零部件在裝配體中所受到的約束,依據(jù)零部件所受到的約束條件生成滿(mǎn)足約束關(guān)系的可行性拆解序列。

首先獲取產(chǎn)品裝配的材料清單(bill of material,BOM),根據(jù)BOM信息找出零部件之間的聯(lián)接約束CE和空間干涉約束CDE,通過(guò)零部件之間的約束關(guān)系建立產(chǎn)品的信息模型。對(duì)產(chǎn)品的零部件進(jìn)行編碼,如1,2,3,…,n(n為零部件數(shù)目),其中節(jié)點(diǎn)V={v1,v2,…,vn}為拆解單元,該編碼應(yīng)與裝配圖中的編碼相匹配,同時(shí)也被應(yīng)用在BOM和數(shù)據(jù)管理庫(kù)中。根據(jù)聯(lián)接約束關(guān)系和空間干涉約束關(guān)系以及編碼結(jié)果得出產(chǎn)品的鄰接矩陣NE和NDE如下:

其中

建立產(chǎn)品的拆解約束信息之后,本文采用回溯算法[6]來(lái)搜索符合約束條件的拆解路徑,然后根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)得出一條最優(yōu)的拆解序列,如X1→X2→…→Xi→…→Xn,其中，Xi代表零部件號(hào)；n代表零部件數(shù)目。

1.2 產(chǎn)品拆解碳足跡模型的建立

產(chǎn)品的拆解碳足跡是指在產(chǎn)品拆解系統(tǒng)邊界內(nèi),該產(chǎn)品所有拆解活動(dòng)所產(chǎn)生的溫室氣體排放量的總和。根據(jù)碳排放的來(lái)源不同,可以分為由材料消耗所產(chǎn)生的碳排放因子和由能量消耗所產(chǎn)生的碳排放因子兩類(lèi),分析碳足跡時(shí)還包括不確定因素所產(chǎn)生的碳排放因子。建立產(chǎn)品的拆解碳足跡模型如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品的拆解碳足跡模型

圖2模型的建立是基于產(chǎn)品零部件的拆解序列。其中,1,2,3,…,n代表零部件；B1,B2,…，Bn-1代表每一項(xiàng)拆解任務(wù)。若用ei代表每一項(xiàng)拆解任務(wù)的碳排放量,拆解碳排放總量e為:

(1)

1.3 拆解類(lèi)型及其能耗形式

在產(chǎn)品拆解過(guò)程中,不同的裝配形式對(duì)應(yīng)不同的拆解能耗。下面是工程中一些常見(jiàn)的拆解形式及其能耗表達(dá)。

1.3.1 螺紋拆解

螺紋聯(lián)接是一種廣泛使用并可拆卸的固定聯(lián)接,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋,根據(jù)專(zhuān)家及企業(yè)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[7]可得拆解能耗Ed為:

(2)

M=KDF×10-3

(3)

(4)

其中,M為螺紋的拆解扭矩;θ為螺紋的轉(zhuǎn)角;K為阻力系數(shù),主要與螺紋中徑的摩擦系數(shù)有關(guān),一般取0.2;F為螺紋的預(yù)拆解扭力,一般取螺紋破壞載荷的70%～80%;D為螺紋的公稱(chēng)直徑;Ca、Cb為拆解聯(lián)接件和被聯(lián)接件的剛度;P為螺距;n為拆解聯(lián)接件的個(gè)數(shù)。

1.3.2 銷(xiāo)聯(lián)接類(lèi)型拆解

銷(xiāo)大致分為圓柱銷(xiāo)和圓錐銷(xiāo),一般用作零部件定位、傳遞力或力矩以及安全保護(hù)等。銷(xiāo)和孔之間常采用輕微的過(guò)盈聯(lián)接,常用的圓柱銷(xiāo)在拆解過(guò)程中的能耗為:

(5)

其中,Fi為拆解過(guò)盈配合的沖擊力;li為銷(xiāo)的裝配長(zhǎng)度;n為拆解銷(xiāo)聯(lián)接的個(gè)數(shù)。

1.3.3 其他聯(lián)接類(lèi)型拆解

裝配體中還有其他多種聯(lián)接類(lèi)型,如焊接、過(guò)盈聯(lián)接以及粘接等方式。這些聯(lián)接的拆解活動(dòng)都會(huì)消耗自然界的一些能量,如人力、電力、天然氣等。

1.4 拆解耗能的碳排放折算

在產(chǎn)品的拆解過(guò)程中,主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估算和能源輸入轉(zhuǎn)換方式來(lái)評(píng)估拆解的碳排放當(dāng)量。原材料生產(chǎn)的碳排放當(dāng)量見(jiàn)表1所列;常見(jiàn)能源的碳排放系數(shù)見(jiàn)表2所列；不同區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子見(jiàn)表3所列[8-9]。

表1 部分原材料生產(chǎn)碳排放當(dāng)量 kg CO2/kg

表2 不同能源的碳排放系數(shù) kg CO2/kg

表3 不同區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子 t CO2/(MW·h)

區(qū)域碳排放因子區(qū)域碳排放因子華北1．0021華中0．9944東北1．0935南方0．9344華東0．8244西北0．9913

根據(jù)表1～表3數(shù)據(jù)可得如下關(guān)系:

(6)

其中,mi為消耗能源的質(zhì)量;Ei為消耗的電能;γi為碳排放系數(shù)。

1.5 產(chǎn)品拆解過(guò)程不確定因素分析

影響產(chǎn)品拆解過(guò)程碳排放的因素有很多,如聯(lián)接方式、聯(lián)接材料、能源排放系數(shù)、輔助工藝依賴(lài)程度等，其中拆解過(guò)程輔助工藝的量化一般為不確定因素,因此確定拆解過(guò)程不確定因素的碳排放修正系數(shù)是問(wèn)題的關(guān)鍵。

如果把拆解過(guò)程相對(duì)確定部分的碳排放設(shè)為eb,不確定因素產(chǎn)生的碳排放設(shè)為er,產(chǎn)品拆解碳排放不確定因子設(shè)為δ,碳排放修正系數(shù)設(shè)為δr,總的碳排放設(shè)為e,那么(1)式可以進(jìn)一步表示為:

(7)

(8)

(9)

拆解過(guò)程對(duì)碳排放修正系數(shù)δri進(jìn)行量化。輔助工藝主要包括冷卻、拉馬使用、潤(rùn)滑以及夾具使用4個(gè)因素。確定輔助工藝碳排放指標(biāo)采用的是模糊層次分析法[10]。將拆解過(guò)程4個(gè)輔助工藝指標(biāo)分別用α1、α2、α3、α4表示,引入企業(yè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或相關(guān)專(zhuān)家的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)4項(xiàng)輔助工藝的相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)判。構(gòu)建n個(gè)比較判斷矩陣Q(x),其結(jié)構(gòu)為：

(10)

其中,qij值為指標(biāo)αi相對(duì)于αj的重要程度；0.9、0.8、0.7、0.6和0.5分別為極度重要、非常重要、明顯重要、略微重要和同等重要;0.4、0.3、0.2和0.1分別為反方向重要程度,因此該矩陣的各元素遵守qij+qji=1的關(guān)系。

將(10)式的判斷矩陣轉(zhuǎn)化為上三角灰色比較矩陣AG,即

(11)

(12)

其中,Q(x)ij為第x個(gè)判斷矩陣中第i行、第j列的值。白化矩陣還需要通過(guò)約束來(lái)驗(yàn)證其模糊一致性,該約束為滿(mǎn)足矩陣相鄰兩行對(duì)應(yīng)元素差恒為常數(shù)的條件。若沒(méi)有通過(guò)一致性判斷,則可以微調(diào)相應(yīng)判斷矩陣各元素值或白化系數(shù)來(lái)滿(mǎn)足一致性條件。

根據(jù)上述條件可以得出輔助工藝的權(quán)重關(guān)系[11]，即

(13)

其中,n為白化矩陣的階數(shù);α為人為判斷各因素重要程度的差異,取值范圍為0～1。

對(duì)于不同拆解類(lèi)型所需要的輔助工藝概率要求被量化,即可得到每種拆解類(lèi)型的拆解概率矩陣。

本文列舉5種拆解類(lèi)型,即螺紋拆解、過(guò)盈聯(lián)接拆解、銷(xiāo)拆解、焊接拆解及鍵拆解,分別用C1、C2、C3、C4、C5表示;輔助工藝指標(biāo)分別用α1、α2、α3、α4表示。構(gòu)造出的概率矩陣為:

(14)

結(jié)合模糊層次分析法與灰色理論可以得出相應(yīng)輔助工藝修正系數(shù)δi，即

(15)

2 應(yīng)用實(shí)例

以某企業(yè)生產(chǎn)的空調(diào)外機(jī)為實(shí)例,對(duì)本文所提出的解算方法進(jìn)行驗(yàn)證?？照{(diào)外機(jī)為典型的機(jī)電產(chǎn)品,應(yīng)用極其廣泛,其全生命周期的碳排放相對(duì)較大,因此對(duì)其進(jìn)行拆解過(guò)程的碳排放分析具有典型意義。

2.1 空調(diào)外機(jī)拆解碳排放解算

2.1.1 確定空調(diào)外機(jī)的拆解序列

在進(jìn)行空調(diào)外機(jī)拆解序列規(guī)劃前,首先得到空調(diào)外機(jī)零部件的BOM清單,見(jiàn)表4所列；再根據(jù)零部件的聯(lián)接關(guān)系,得到聯(lián)接約束的鄰接矩陣和空間干涉約束的鄰接矩陣。

表4 空調(diào)外機(jī)零部件清單

本文采用回溯算法搜索可行的拆解序列,最后找出一條最為合理的拆解路徑,經(jīng)計(jì)算選擇此空調(diào)外機(jī)的拆解序列為:

2→8→7→5→3→1→6→

14→15→9→10→11→12→13→4。

2.1.2 量化輔助工藝修正系數(shù)

通過(guò)對(duì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研,征求專(zhuān)家意見(jiàn),得到4種輔助工藝碳排放的相對(duì)重要程度,并構(gòu)造出如下3個(gè)判斷矩陣：

其中每個(gè)判斷矩陣代表一個(gè)評(píng)判者的評(píng)判意見(jiàn)。

微調(diào)判斷矩陣中的元素并選擇合適的白化系數(shù),可得上三角灰色比較矩陣,白化系數(shù)χ1=χ2=0.5;根據(jù)(12)式可求出灰色比較矩陣如下:

經(jīng)驗(yàn)證符合一致性約束。判斷因素重要度差異系數(shù)α取0.8;根據(jù)(13)式得到輔助工藝的權(quán)重系數(shù)為:

[0.453 125 0.265 625 0.203 125 0.078 125]。

企業(yè)調(diào)研結(jié)果表明,對(duì)空調(diào)外機(jī)的拆解可歸為上述5種典型的拆解類(lèi)型,根據(jù)這5種拆解類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的輔助工藝,得出其拆解概率矩陣為:

根據(jù)(15)式可求得5種拆解類(lèi)型的輔助工藝修正系數(shù)為:

δi=[0.352 13 0.369 38 0.271 41

0.046 72 0.355 31]。

由空調(diào)外機(jī)的拆解序列可得一個(gè)拆解BOM。本例拆解過(guò)程中電能消耗均采用華東電網(wǎng)的碳排放因子,取值為0.824 4 t CO2/(MW·h)?？照{(diào)外機(jī)焊接部分的拆解將采用手持式切割機(jī)作業(yè),功率為750 W。由表4的空調(diào)BOM數(shù)據(jù)解算出零部件拆解序列,由零部件的拆解序列和空調(diào)外機(jī)的BOM可以得出空調(diào)外機(jī)的拆解任務(wù)列表，見(jiàn)表5所列。

表5 空調(diào)外機(jī)拆解任務(wù)序列

由表5可知,共有3種拆解類(lèi)型,分別為螺紋聯(lián)接拆解、焊接切割拆解以及插接拆解。拆解螺栓分為M12、M10和M8 3種,均為8.8級(jí)。其中，M12的螺栓數(shù)量為16個(gè)；M10的數(shù)量為33個(gè)；M8的數(shù)量為17個(gè)。焊接切割拆解的數(shù)量為2個(gè),插接拆解的數(shù)量為2個(gè)。

下面分別對(duì)上述拆解類(lèi)型進(jìn)行碳排放量化。

(1) 螺紋聯(lián)接拆解能耗。查表可得8.8級(jí)螺栓的抗拉強(qiáng)度為800 MPa、屈服極限為640 MPa,M10螺栓的應(yīng)力面積為58 mm2。取螺栓拆解的拆解力為其破壞載荷的80%,螺距P為1.5 mm,聯(lián)接材料的剛度分別為1.193×105、1.328×105N/mm,根據(jù)(2)～(4)式可得:

F=0.8×640×58=2.969 6×104N,

M=0.2×2.969 6×104×

10×10-3=59.392N·m,

同理可計(jì)算得到M12、M8螺栓的拆解能耗分別為Ed12=15 965 J和Ed8=2 130 J。

(2) 焊接切割拆解能耗。功率P=750 W,根據(jù)表5可知拆解時(shí)間t=20 s,得到拆解能耗為Eh=Pt=750×20=15 000 J。

(3) 插接拆解能耗。提手的插入深度約為15 mm,拆解力為20 N,裝配的能耗為0.3 J。

(4) 根據(jù)已計(jì)算出的各種拆解能耗修正系數(shù)以及表3的碳排放轉(zhuǎn)換因子,可以得出上述幾種拆解類(lèi)型的碳排放量值。

螺栓拆解的碳排放量為:

(16×15 965+33×6 711+

17×2 130)≈158.9g。

焊接切割拆解的碳排放量為:

e2=2×(1+0.046 72)×

由于插接拆解能耗非常小,本文忽略不計(jì),在整個(gè)空調(diào)外機(jī)拆解中碳排放量共計(jì)為166.1 g。

2.2 空調(diào)外機(jī)全生命周期的碳足跡分析

空調(diào)外機(jī)的零部件組成如圖3所示。

采用GaBi軟件對(duì)空調(diào)外機(jī)進(jìn)行生命周期分析,即可得到空調(diào)外機(jī)的全生命周期碳排放。這里設(shè)定空調(diào)外機(jī)的輸入功率為1 100 W,每天開(kāi)機(jī)6 h,使用壽命為8 a。繪制GaBi分析方案圖,根據(jù)上述輸入條件可以得到相應(yīng)的碳排放數(shù)據(jù),分別計(jì)算出不同階段的碳排放值,結(jié)果見(jiàn)表6所列。

圖3 空調(diào)外機(jī)的零部件模塊

表6 空調(diào)外機(jī)各階段碳排放值 kg

由表6可知,空調(diào)外機(jī)全生命周期碳排放總量約為8 343.77 kg,而拆解階段的碳排放大約為0.17 kg,占整個(gè)生命周期碳排放量的0.002 0%,所占比例極小,可以忽略不計(jì)。這進(jìn)一步說(shuō)明了空調(diào)外機(jī)的拆解活動(dòng)基本不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

3 結(jié) 論

本文以產(chǎn)品在拆解過(guò)程中的碳排放為研究對(duì)象,基于產(chǎn)品拆解規(guī)劃序列建立了產(chǎn)品拆解過(guò)程的碳排放量化模型,提出了產(chǎn)品拆解碳排放修正系數(shù)的概念,為量化碳排放提供了理論基礎(chǔ)。

產(chǎn)品拆解過(guò)程的碳排放可以作為產(chǎn)品環(huán)境友好屬性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一,同時(shí)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中,還可以作為產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的重要參數(shù),為產(chǎn)品在生命周期末端較低的環(huán)境影響提供理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Analysis of carbon emissions in the process of product dismantling

TANG Keshi, WANG Yulin

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

A method for the calculation of carbon emissions in the process of product dismantling is proposed, and a set of evaluation system with the standard of carbon emissions is established. By planning order of dismantling sequence of product parts and drawing every dismantling type needed according to the product dismantling path to calculate the energy consumption of dismantling process, the dismantling energy consumption of different connecting types of parts has a quantitative standard, then the magnitude of carbon emissions throughout the whole process of dismantling is calculated, and finally an objective evaluation for product environment-friendly target is given. Taking the air conditioner as an example, the carbon equivalent emissions during the air conditioner dismantling are solved by the proposed method, the carbon emissions of total life cycle of the air conditioner are calculated by using GaBi software, and the environment-friendly evaluation result for the air conditioner dismantling process is drawn by contrast.

dismantling; carbon emission; energy consumption; life cycle analysis(LCA)

2015-12-24；

2016-02-19

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA040202)

湯可石(1986-),男,安徽鳳陽(yáng)人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 王玉琳(1966-),男,安徽六安人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.004

TH122

A

1003-5060(2017)01-0018-06