第6章 面向可持续发展的绿色制造

现代制造技术2010年9月电子课件第六章面向可持续发展的绿色制造6.1绿色制造6.2绿色设计6.3清洁生产6.4再资源化技术6.1绿色制造6.1.1绿色制造的概念、内涵和发展1.绿色制造的概念绿色制造又称为环境意识制造和面向环境的制造，是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式。其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期，对环境负面影响最小、资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。6.1.1绿色制造的概念、内涵和发展绿色制造涉及的问题领域有三部分：（1）制造问题，包括产品生命周期全过程。（2）环境保护问题。（3）资源优化利用问题。绿色制造就是这三部分内容交叉，如图6-1所示。6.1.1绿色制造的概念、内涵和发展2.绿色制造的内涵1）绿色制造是“大制造”绿色制造中的“制造”涉及到产品整个生命周期，因而同计算机集成制造、敏捷制造等概念中的“制造”一样，是一个“大制造”概念。2）绿色制造范围广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。3）绿色制造重视资源和环境问题资源问题、环境问题、人口问题是当今人类社会面临的三大主要问题。绿色制造从制造系统工程的观点出发，是一种充分考虑前两大问题的一种现代制造模式，是充分考虑制造业资源和环境问题的复杂的系统工程问题。6.1.1绿色制造的概念、内涵和发展3.绿色制造的研究现状1）国外绿色制造研究现状在美国，从一些国家重点实验室到国家研究中心，从东海岸的麻省理工学院到西海岸的Berkeley加州大学，大量的研究工作正在进行。在欧洲，国际生产工程学会（CIRP）近几年均有大量论文对绿色制造和多生命周期工程等本质问题进行研究。英国CFSD（thecenterforsustainabledesign）对生态设计、可持续性产品设计等进行了集中研究，并开展了有关的教育工作，发行了TheJournalofSustainableProductDesign杂志。6.1.1绿色制造的概念、内涵和发展国际电子电器工程师协会（IEEE）和日本生态设计（EcoDesign）协会联合发起，在松下、索尼、IBM、丰田等多家跨国公司赞助下，InternationalSymposiumonEnvironmentallyConsciousDesignandInverseManufacturing国际研讨会迄今已成功举办了3届，对环境意识制造和逆向制造技术展开了讨论。欧洲、日本、美国等发达国家的许多跨国公司都制定了绿色制造实施目标和措施，开展节能、降耗、产品生命周期评估（LCA）、环境审核、绿色产品开发等具体工作。6.1.1绿色制造的概念、内涵和发展2）国内绿色制造研究现状重庆大学和武汉科技大学合作，承担了国家863项目（“绿色制造的资源流模型和实施关键技术研究”、“绿色制造的集成运行模式和使用评估技术”、“面向绿色制造的工艺规划关键使能技术及应用支持系统研究”等）和国家自然科学基金项目（“绿色制造的理论体系和决策支持技术研究”、“制造系统资源消耗模型和资源消耗特性的研究”等），初步建立了绿色制造的理论体系和技术体系，对制造系统物料和能源、资源优化利用以及面向绿色制造的工艺规划方面进行较为深入的研究，开发了一套“面向绿色制造的工艺规划应用支持系统（著作权登记号：2003SR9386）”，并在中国现代集成制造系统网络中开辟了绿色制造专题。6.1.1绿色制造的概念、内涵和发展清华大学、机械科学研究院、上海交通大学、装甲兵工程学院以及其他高校和研究机构，如合肥工业大学、华中科技大学等对绿色制造的理论体系、专题技术等也进行了不少的研究。6.1.1绿色制造的概念、内涵和发展4.绿色制造发展趋势1）绿色制造正朝着标准化、政策化、法律化的方向发展2）“绿色贸易壁垒”促使着绿色制造技术的全球化发展3）绿色制造技术的集成特性愈来愈突出主要表现在以下几个方面：（1）效益目标集成；（2）组织模式集成；（3）技术集成；（4）绿色产品制造业正带动着传统产业的更新换代；（5）绿色制造带来的新兴产业正在兴起。6.1.2绿色制造的内容体系绿色制造作为一种先进制造模式，它强调在产品生命周期全过程中采取绿色措施，从而尽可能地减少产品在整个生命周期中对环境和人体健康的负面影响，提高资源和能源的利用率，所谓产品生命周期全过程，是指从地球环境（土地、空气和海洋）中提取材料，加工制造成产品，并流通给消费者使用。产品报废后经拆卸、回收和再循环将资源重新利用的整个过程，如图6-2所示。6.1.2绿色制造的内容体系6.1.2绿色制造的内容体系由图可以看出，绿色产品的生命周期可大致分为五个阶段：原材料绿色制备阶段、产品绿色设计与清洁生产阶段、产品的绿色流通阶段及产品绿色使用阶段及产品再资源化阶段。绿色制造谋求经济性的实现如下的产品生命周期环境协调特性。（1）节省资源与能源；（2）良好的环境保护特性；（3）良好的劳动保护特性。6.1.2绿色制造的内容体系绿色制造的内容及其相互关系可以由图6-3表示。它包括绿色设计、清洁生产、绿色包装、绿色运输、再资源化技术及企业环境管理等内容。其中，绿色设计是绿色制造的核心，它在企业硬件、软件、组织机构、管理模式的支持下，不断地同产品生命周期的其他阶段以及外部环境因素交换信息，通过信息的反馈与控制实现产品的清洁生产、绿色消费、绿色回收处理及再利用。6.1.2绿色制造的内容体系6.1.2绿色制造的内容体系绿色制造各部分的主要内容如下：1）企业环境管理①企业可持续发展策略；②ISO14000环境管理标准认证；③环境信息统计分析及综合管理；④企业环境管理内审；⑤产品生命周期的废物管理；⑥可回收件标志和管理等。2）绿色设计①绿色产品的技术、经济、环境模型；②绿色设计中的材料选择技术；③产品均衡寿命设计；④产品长寿命设计；⑤节能设计；⑥面向环境的设计；⑦人机工程设计；⑧可拆卸性设计；⑨面向环境的数据库系统开发技术；⑩生命周期评价；⑾并行工程及人工智能的应用；⑿绿色设计工具与平台等。6.1.2绿色制造的内容体系3）清洁生产①生产过程能源优化利用；②生产过程资源优化利用；③生产过程环境状况检测；④生产过程的劳动保护等。4）绿色包装①包装材料的选择；②包装结构；③包装的清洁生产；④包装物的再资源化技术等。5）绿色运输①最佳运输路线及运输方案设计；②物料、仓储的优化设计；③安装调试过程的节能；④安装调试中的节省资源等。6.1.2绿色制造的内容体系6）绿色材料①可降解材料的开发；②材料的轻量化设计；③材料的长寿命设计；④绿色材料的生命周期评价；⑤绿色材料数据库开发等。7）绿色能源①可再生能源的应用；②新能源的开发；③传统能源的清洁使用；④能源的生命周期评价；⑤绿色能源数据库开发等。8）再资源化技术①废物管理系统；②废物无公害处理；③废物循环利用；④报废产品的拆卸及分类；⑤报废产品及零件的再制造及重用等。6.2绿色设计6.2.1绿色设计的实施过程绿色设计的过程和方法如图6-4所示。主要包括以下步骤：6.2.1绿色设计的实施过程1）初步设计根据有关理论和历史资料，用生命周期评价（LifeCycleAssessment，LCA）方法，分析待设计产品生命周期各个阶段可能出现的环境影响因素。在此基础上，运用并行设计的原理，在设计中全面考虑产品生命周期各阶段中产品的绿色特性，并借助各种设计方法与理论，完成产品的初步设计。2）详细设计运用LCA模拟追踪所设计产品生命周期过程，评估设计方案的绿色特性，在此基础上，完成详细设计。3）改进设计根据评估结果，找出产品绿色特性问题所在，进行改进设计，并从产品生命周期的角度出发对产品绿色设计进行整体优化。6.2.2绿色设计与传统设计的区别绿色设计是指借助产品生命周期中与产品相关的各类信息（技术信息、环境协调性信息、经济信息），利用并行设计等各种先进的理论，使设计出的产品具有先进的技术性、良好的环境协调性以及合理的经济性的一种系统设计方法。绿色设计的内涵较传统设计丰富得多，主要表现在如下两方面：（1）绿色设计将产品的生命周期拓展为从原材料制备到产品报废后的回收处理及再利用，从而有助于真正实现产品“从摇篮到坟墓（CradletoGrave）”的绿色化。（2）绿色设计在系统论的基础上，利用并行工程的思想，将环境、安全性、能源、资源等因素集成到产品的设计活动当中，有助于实现产品生命周期中“预防为主，治理为辅”的绿色设计战略，从根本上达到保护环境、保护人体健康和优化利用资源与能源的目的。6.2.3绿色设计的环境协调原则1）资源利用最佳原则（1）在资源选用时，应充分考虑资源的再生能力，避免因资源的不合理使用而加剧资源的稀缺和造成资源枯竭危机，从而制约生产的可持续发展。因此，设计中应尽可能选择可再生资源。（2）在设计上，应尽可能保证资源在产品的整个生命周期中得到最大限度的利用，力争使资源的回收利用和投入比率趋于1。（3）对于确因技术水平限制而不能回收、再生、重用的废弃物，应能够自然降解，或便于安全的最终处理，以免增加环境的负担。6.2.3绿色设计的环境协调原则2）能量利用最佳原则（1）在选用能源类型时，应尽可能选用太阳能、风能等清洁型可再生能源。优化能源结构，尽量减少汽油、煤油等不可再生能源的使用，以有效减缓能源危机。（2）通过设计，力求使产品全生命周期中能量消耗最少，使有效能量与总能耗之比趋于1，以减少能源的浪费。同时，减少由于这些浪费的能量造成的振动、噪声、热辐射以及电磁波等对环境产生污染。6.2.3绿色设计的环境协调原则3）污染极小化原则绿色设计应彻底抛弃传统的“先污染、后治理”的末端治理方式。在设计时，就充分考虑如何使产品在其全生命周期中对环境的污染最小，考虑如何消除污染源，从根本上消除污染。确保产品在其全生命周期中产生的环境污染接近于零，是绿色设计的理想目标。4）安全宜人化原则绿色设计不仅要求从产品的制造和使用环境以及产品的质量和可靠性等方面，考虑如何确保生产者和使用者的安全，而且还要求产品符合人机工效学、美学等有关原理，以使产品安全可靠、操作性好、舒适宜人。也就是说，绿色设计不仅要求所设计的产品在其全生命周期过程中对人们的身心健康造成伤害最小，还要求给产品的生产者和使用者提供舒适宜人的作业环境。6.2.4生命周期评价生命周期评价（LifeCycleAssessment），也称生命周期分析（LifeCycleAnalysis，LCA），是绿色设计的分析基础。所谓LCA，就是针对产品的环境协调性（如能源、资源的消耗，产品对生态环境和人体健康的影响），运用系统的观点，对产品生命周期的各个阶段（材料制备、设计开发、制造、包装、发运、安装、使用、最终处理及回收再生）进行详细的分析或评估，从而获得产品相关信息的总体情况，为改进产品性能提供完整、准确的信息。LCA的普通标准己于1997年完成，并编制在ISO14040中。LCA原理如图6-5所示。6.2.4生命周期评价6.2.4生命周期评价1.确定目标与范围生命周期评价的目标，取决于进行生命周期评价的动机。通常，进行生命周期分析的动机有下面四种。1）建立某类产品的参考标准2）识别某类产品的改善潜力3）用于概念设计时的方案比较4）用于详细设计时的方案比较利用生命周期评价方法，寻找详细设计方案的优缺点，并做出综合评判，从中寻求最优方案，并对方案进行改进。6.2.4生命周期评价2.清单分析清单分析（InventoryAnalysis）是LCA的核心和关键。它包括数据的收集和处理，当产品生命周期评价的目标和范围确定以后，就可以模拟（对产品设计分析）或追踪（对产品性能评估）产品的整个生命周期，详细列出各个阶段的各种输入和输出清单，并进行分析，从而为下一阶段进行各种因素对目标性能的影响评价作准备。通常，生命周期评价清单分析的过程如图6-6所示。6.2.4生命周期评价6.2.4生命周期评价3.影响评价影响评价（ImpactAssessment）就是根据清单中的信息，定性或定量分析其对生态系统、人体健康、自然资源及能源消耗等产生的影