綠色制造工程的內(nèi)涵與技術(shù)發(fā)展

綠色制造工程的內(nèi)涵與技術(shù)發(fā)展

1環(huán)境污染與工業(yè)環(huán)境友好隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，人類生存和發(fā)展的環(huán)境發(fā)生了重大變化。無節(jié)制地使用資源、能源來進(jìn)行大量生產(chǎn),不顧后果地大量消費(fèi)以及無序的大量廢棄是造成20世紀(jì)以來環(huán)境日趨惡化的主要原因。一般而言,環(huán)境是指人類生存的周圍空間(即“環(huán)人之境”),特別是指人類生存的地球上各種自然要素的總和及其相互關(guān)系。而所謂環(huán)境污染是指不同層次、不同地域的“環(huán)人之境”而言,超過生態(tài)平衡的外源性污染。人們由憂慮環(huán)境污染、生態(tài)平衡而提出可持續(xù)發(fā)展問題。這就是指由于自然或人為活動而使環(huán)境發(fā)生不利于人類和生物的變化。要改變不利于環(huán)境的因素,必須從產(chǎn)生問題的根源著手,即從自然資源的利用,物質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程,消費(fèi)過程和廢棄、回收過程入手,全過程、全壽命期地綜合思考,從總體上解決問題,走可持續(xù)發(fā)展的道路。環(huán)境保護(hù)不僅僅是污染物的末端處理問題,更為根本的是產(chǎn)品制造過程和物質(zhì)消費(fèi)過程的環(huán)境友好問題,工業(yè)環(huán)境友好的關(guān)鍵是要積極地治本?？沙掷m(xù)發(fā)展突出強(qiáng)調(diào)的是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)、環(huán)境友好的協(xié)調(diào)發(fā)展,追求人與自然的和諧。社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展應(yīng)建立在生態(tài)持續(xù)平衡和保護(hù)環(huán)境不對后代人的生存和發(fā)展構(gòu)成威脅和不良制約的基礎(chǔ)上?？沙掷m(xù)發(fā)展的核心內(nèi)容:環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相互依賴,相互協(xié)調(diào);傳統(tǒng)生產(chǎn)方式、消費(fèi)方式和廢棄方式的改變。2產(chǎn)品環(huán)境性能測定在可持續(xù)發(fā)展概念的推動下,環(huán)境保護(hù)的研究和實踐領(lǐng)域得到了新的發(fā)展,人們用“綠色標(biāo)志”來表達(dá)產(chǎn)品的環(huán)境信息、環(huán)境負(fù)荷;運(yùn)用產(chǎn)品生命周期分析的方法來比較產(chǎn)品的環(huán)境性能。推廣清潔生產(chǎn)技術(shù)和發(fā)展綠色(清潔)制造流程以及工業(yè)生態(tài)鏈;建立企業(yè)環(huán)境管理體系來改善企業(yè)的環(huán)境行為,并在全世界建立起ISO14000環(huán)境管理系列標(biāo)準(zhǔn)來推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。綠色制造是一個值得高度重視的問題?，F(xiàn)在“大制造”的概念已在全球范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可,這幾乎包括了一切生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品的制造業(yè),例如:冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、建材工業(yè)、機(jī)械工業(yè)等。因此,綠色制造必將涉及一切制造業(yè)的生存、發(fā)展和改造。2.1污染與綠色制造綠色制造的主要概念是:(1)從源頭入手根治造成污染的制造過程,并高度關(guān)注產(chǎn)品綠色生命周期;(2)使污染物消除在制造過程中,協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益;(3)不同類型、相關(guān)類型企業(yè)之間形成工業(yè)生態(tài)鏈,促進(jìn)構(gòu)成污染物的“零”排放體系(或稱為最小排放體系);(4)所謂污染是指在不同尺度上超過生態(tài)平衡所能接受的外源性污染;(5)強(qiáng)調(diào)持續(xù)性的對環(huán)境污染集成預(yù)防策略,追求構(gòu)成可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的最佳模式。綠色制造與環(huán)境治理有不同的立場,甚至不完全相同的概念。環(huán)境治理的立場往往是對已被污染的環(huán)境進(jìn)行治理,使之恢復(fù)到被污染前的面貌,這種方法往往導(dǎo)致企業(yè)成本增加,甚至削弱市場競爭力;綠色制造則是強(qiáng)調(diào)從源頭上阻止污染物生成的新策略。必須高度重視綠色制造,要從過程科學(xué)、技術(shù)與工程研發(fā)入手,發(fā)展環(huán)境友好的生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備、制造流程,解決好環(huán)境污染與可持續(xù)發(fā)展這對矛盾。2.2工具層次的把握由于環(huán)境問題的形成和解決是從局部、區(qū)域乃至全球在不同尺度上多層次地開展的,綠色制造必然具有多尺度、多層次的內(nèi)涵。它需要運(yùn)用可持續(xù)發(fā)展觀點(diǎn)和系統(tǒng)論等普遍的方法進(jìn)行整體性的研究。要將不同層次、不同尺度上的理論、技術(shù)、工具集成起來;在微觀層次上采用產(chǎn)品設(shè)計,原材料、能源選擇/代替,工藝、裝備和管理完善等方法;在介觀層次上采用區(qū)域內(nèi)物料流循環(huán)和行業(yè)共生、共存等工業(yè)生態(tài)鏈策略;在宏觀層次上采取政策、法規(guī)等行政—經(jīng)濟(jì)杠杠來導(dǎo)向。在研究、開發(fā)綠色制造流程、綠色生產(chǎn)技術(shù)時,有必要借鑒藝術(shù)上采用的先總體構(gòu)思的方法。首先要從整體上(既有微觀的,又有宏觀的)把握好“完美”的概念和內(nèi)涵,作為解決環(huán)境友好的綠色制造體系的方法。由于環(huán)境問題往往需要從整體上來把握好解決問題的眼光和途徑,因此,人們應(yīng)以一種總體設(shè)計者的眼光來觀察問題,即先從整體、宏觀上思考,逐步深入到介觀、微觀層次。而且,對于從整體到介觀、微觀之間的聯(lián)結(jié)方法可以用“白箱”、“灰箱”、“黑箱”等方式來解決。2.3污染防治的技術(shù)根據(jù)所關(guān)注對象及考察問題的角度,綠色制造可派生出各種不同類型的技術(shù):以制造過程為對象的清潔生產(chǎn)設(shè)計,考察廢棄物產(chǎn)生的流量與組成等;產(chǎn)品生命周期評價對產(chǎn)品的全壽命進(jìn)行分析,確定產(chǎn)品在全過程中的能量消耗及原材料利用情況等;工業(yè)生態(tài)學(xué)則以一系列相關(guān)的原料、能源、產(chǎn)品、副產(chǎn)品、排放物等物質(zhì)群體為研究對象,考察這些物質(zhì)的相互作用及最終歸宿。這些方法、技術(shù)都涉及從不同角度、不同尺度、不同層次上對污染防治的機(jī)會和可行性進(jìn)行綜合評估,同時也是對污染防治的技術(shù)進(jìn)行綜合的研究、開發(fā)的過程。綠色制造技術(shù)的大致框架包括有面向原料/能源的策略性選擇,面向制造過程技術(shù)的解析—集成、重構(gòu)—優(yōu)化策略,面向產(chǎn)品的使用、廢棄、回收的全壽命分析策略,面向物質(zhì)/能量充分(循環(huán))利用的工業(yè)生態(tài)鏈的構(gòu)筑策略等。綠色制造技術(shù)作為工程技術(shù)需要經(jīng)歷一段開發(fā)、發(fā)展的進(jìn)程,而且既有從微觀、介觀到宏觀、整體的發(fā)展進(jìn)程,例如從單元/局部到總體的發(fā)展進(jìn)程;又有從宏觀頂層整體設(shè)計到微觀、介觀(單元/局部)的發(fā)展進(jìn)程。面對環(huán)境問題,綠色制造技術(shù)的大致對策思路是:(1)單元制造過程內(nèi)的優(yōu)化,改善單元過程的功能—結(jié)構(gòu)—效率,盡量減少制造過程中不必要的輸入和輸出,降低單元過程資源負(fù)荷、能源負(fù)荷;(2)單元制造過程間的優(yōu)化,盡量利用不同過程的排放物、廢棄物、剩余能進(jìn)行過程間的體系設(shè)計;(3)對于暫時無法利用的排放物(包括排放過程)、廢棄物,尋求技術(shù)革新的方法,使之能夠充分再利用;(4)采用“末端治理技術(shù)”或采用生態(tài)學(xué)原理發(fā)揮生物圈的自身凈化能力等。3鋼鐵工業(yè)的概念鋼鐵工業(yè)的環(huán)境負(fù)荷,包括資源的攝取度、能源消耗量、污染物排放量及其危害、廢棄物產(chǎn)生量及其回收和處理的難易程度等。一般地講,環(huán)境友好的鋼鐵工業(yè)是指對環(huán)境的負(fù)荷最小、甚至希望不污染環(huán)境。因此,可以看成是最佳能源效率與最小環(huán)境負(fù)荷的鋼材生產(chǎn)體系。廣義地講是要“改善環(huán)境”和“創(chuàng)造優(yōu)良環(huán)境”,也可以理解為兼顧社會整體節(jié)能、降低社會環(huán)境負(fù)荷的協(xié)同優(yōu)化生產(chǎn)體系——綠色鋼材生命周期體系。3.1生產(chǎn)過程所謂綠色鋼材生命周期體系(圖1),將涉及資源、能源的開采、輸送過程、鋼材制造過程、加工組裝過程、使用過程、廢棄過程、回收利用過程等因果鏈。對這些過程進(jìn)行生命周期的分析研究和檢測評估也是非常重要的。3.2環(huán)境保護(hù)的內(nèi)涵就鋼鐵企業(yè)而言,環(huán)境保護(hù)的內(nèi)涵如圖2所示。3.3設(shè)置特定類型企業(yè),促進(jìn)社會整體節(jié)能鋼鐵制造過程的優(yōu)化既包括環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展又兼顧提高鋼的市場競爭力。鋼鐵制造過程正以積極推進(jìn)最有效技術(shù)(BestAvailableTechnology)為基本,不斷使鋼鐵制造流程從間歇—停頓—流程長向緊湊化—準(zhǔn)連續(xù)化—流程短的方向發(fā)展,以使物質(zhì)收得率最大化、能源效率最佳化和制造流程時間最小化。從鐵礦石+能源—鋼材—制品(工程)—廢棄—再利用的過程看,分析不同類型鋼廠的能源效率和環(huán)境負(fù)荷是重要的,如短流程鋼廠的能耗及噸鋼有害氣體排放量都遠(yuǎn)低于高爐長流程鋼廠。在此基礎(chǔ)上組成若干區(qū)域性的兼顧社會整體節(jié)能、降低社會環(huán)境負(fù)荷、協(xié)同優(yōu)化的鋼鐵生產(chǎn)體系也是值得提倡的。諸如鋼廠與發(fā)電廠的結(jié)合,鋼廠與建筑材料廠的結(jié)合,甚至某些地區(qū)的鋼廠(利用排出的CO、CH4、H2等)與石油加工或某些化工廠的結(jié)合,可能會成為一種趨勢。特別是一些新型還原煉鐵裝置的開發(fā)、應(yīng)用,將有可能在新建鋼廠時,就進(jìn)行相應(yīng)的投資(諸如發(fā)電站等)。這樣,在某些特定條件下,有可能形成包括鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)在內(nèi)的工業(yè)生態(tài)鏈,甚至形成工業(yè)生態(tài)區(qū)。必須注意到,就鋼廠的環(huán)境友好而言,其根本是以節(jié)能、提高鋼的收得率、改善鋼的性能等為核心的鋼鐵制造流程的優(yōu)化,它將從根本上有利于過程排放、排放物質(zhì)和產(chǎn)品的“綠色度”。3.4工業(yè)能耗鋼廠是資源、能源的消耗大戶,在中國約占工業(yè)總能耗的9%~10%。解決鋼鐵制造過程的過程排放及排放物質(zhì)對環(huán)境影響的有效途徑有以下幾點(diǎn)。(1)煤氣回收和可以降低生產(chǎn)排放物質(zhì)(包括剩余能源)再能源化的問題,主要集中在化學(xué)冶金過程中,特別是高爐煉鐵系統(tǒng)中。高爐是以還原過程為特征的冶金裝置,還原裝置的排放尾氣一般都含有剩余熱值,甚至還包括動能。高爐聯(lián)合企業(yè)正在向只買煤、不買電的方向發(fā)展(圖3)。一方面得到便宜的自產(chǎn)電力,一方面又減輕了社會環(huán)境負(fù)荷。轉(zhuǎn)爐煤氣回收,可使煉鋼廠實現(xiàn)“負(fù)能煉鋼”,向鋼鐵企業(yè)反饋5~10kg(標(biāo)煤)/t(鋼)的能源。電爐煉鋼過程中的廢氣余熱回收技術(shù),有可能使電爐煉鋼節(jié)電100kW·h/t(鋼)以上,并提高電爐的生產(chǎn)效率。(2)國內(nèi)與日本轉(zhuǎn)爐渣利用的比較高爐渣的再資源化率幾近100%。轉(zhuǎn)爐渣的再資源化也受到了充分的重視,然而各主要產(chǎn)鋼國在轉(zhuǎn)爐渣的再資源化方面還處在不同水平上,我國與日本的差距就不小(中國轉(zhuǎn)爐渣利用率約為80%,日本轉(zhuǎn)爐渣利用率為97.6%)。(3)再能源化與不水資源整合鋼鐵企業(yè)的無害化處理比較集中在水處理、煙塵處理以及某些有害刺激性氣體的處理上。作為水處理問題,電爐流程的鋼廠要比高爐—轉(zhuǎn)爐聯(lián)合企業(yè)簡單得多。然而更為根本的問題是:如何少用水、不用水或是水的充分循環(huán)利用。作為再能源化和不用水的絕妙結(jié)合的例子就是干熄焦(CDQ)。北美有的新建焦?fàn)t將原來煉焦—化工系統(tǒng)轉(zhuǎn)為煉焦—發(fā)電系統(tǒng)也是值得注意的新動向。煙氣脫硫?qū)τ谒嵊甑却竺娣e區(qū)域生態(tài)環(huán)境以及居民的健康有著直接的影響。目前氮氧化合物(NOx)的防治也引起人們的重視?？傊?中國鋼廠的無害化處理尚處于起步階段。4鋼鐵工業(yè)的社會功能應(yīng)該注意到鋼材及其制品的性能、設(shè)計方法以及回收循環(huán)使用是環(huán)境友好的鋼鐵工業(yè)在社會上的重要體現(xiàn)。鋼材及其制品與其他材料相比在不少方面顯示出了它對環(huán)境友好的“綠色度”。同時某些“綠色度”的指標(biāo)也可以用于比較不同鋼材之間的相對環(huán)境友好程度。(1)螺紋鋼筋與不銹鋼焊接薄膜對環(huán)境負(fù)荷的差別不同鋼廠及其制品的環(huán)境負(fù)荷主要取決于制造過程以及對資源、能源的消耗量。雖然,現(xiàn)在還缺乏不同鋼材環(huán)境負(fù)荷的系統(tǒng)數(shù)據(jù),但是人們也不難看到螺紋鋼筋與不銹鋼冷軋薄板之間對環(huán)境負(fù)荷影響的差別,熱軋薄板與鍍錫薄板之間的環(huán)境負(fù)荷差別將更為直觀。提高鋼材的性能,使之結(jié)構(gòu)輕型化(汽車、啤酒罐等),改進(jìn)鋼制品的設(shè)計,使之更易拆解、分類并有利于收集處理等組成的鋼制品的“綠色化”設(shè)計,也是改善鋼材及其制品對環(huán)境負(fù)荷影響的重要途徑。(2)提高規(guī)范材料的使用效率提高鋼材及其制品的使用壽命,提高耐久性和可靠性,是顯示其“綠色度”的另一途徑。改善鋼板表面涂鍍層、改善軸承鋼的抗疲勞性能、改善不銹鋼耐熱、抗腐蝕性能以及一系列抗大氣腐蝕鋼材的開發(fā)等均屬此例。提高鋼材的使用效率可以直接或間接地顯示其“綠色度”。高強(qiáng)度耐腐蝕管線用鋼的開發(fā)、輕型鋼結(jié)構(gòu)、鋼制房屋的開發(fā)以及高性能電工鋼板的開發(fā)、超臨界高效鍋爐用鋼管的開發(fā)等屬于此例。(3)及鉛、鉻等污染物污染物的金錨網(wǎng)施工這里是指來自鋼材及其制品本身的環(huán)境污染負(fù)荷,如含有鉛、鉻等污染物的涂鍍層鋼板、含鉛易切削鋼等。目前正在開發(fā)減少和淘汰這些易污染元素的新產(chǎn)品的工作(如無鉻鍍鋅鋼板等)。(4)鋼鐵廢鋼產(chǎn)品利用過程鋼材及其制品的循環(huán)使用率明顯高于塑料、水泥、紙、鋁、玻璃等大宗使用的材料,可以說可再生性相對來說是最好的?，F(xiàn)在全球每年可回收4億噸左右的廢鋼鐵用于生產(chǎn)鋼鐵,在全球年產(chǎn)8億噸左右的粗鋼中占有相當(dāng)大的比例。為了再生循環(huán)利用,鋼材及其制品在生產(chǎn)、設(shè)計使用、拆解、分類處理、收集等過程已經(jīng)有了一系列措施,最為突出的是廢舊汽車拆解、分類處理、回收。鋼制罐頭容器的回收率也達(dá)到了很高的水平(目前日本鋼罐的再資源化率已達(dá)80%)。5鋼鐵制造過程,由物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變,從過程控制到流程