产品拆解过程的碳排放分析

汤可石, 王玉琳

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

产品拆解过程的碳排放分析

汤可石, 王玉琳

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

针对产品拆解过程中的碳排放问题,文章提出了一种解算方法,建立了一套以碳排放量值为评价标准的拆解评价体系。通过对产品零部件拆解序列进行规划排序,根据产品拆解路径得出每步所需要的拆解类型,解算出拆解过程中能耗的大小,使得不同零件联接类型的拆解能耗都有一个量化标准,以此进一步解算出在整个拆解过程中碳排放的量级,最终能够针对产品的环境友好性目标给出一个客观的评价。该文以空调外机的拆解为例,根据所提出的方法解算出空调外机拆解的碳排放当量,利用GaBi软件解算出空调外机全生命周期的碳排放量,通过对比得出空调外机拆解过程的环境友好性评价。

拆解;碳排放;能耗;生命周期分析

目前低碳设计已成为产品设计的重要发展方向。国内外在研究产品对环境的影响时,主要以碳排放量指标作为评价标准,即分析计算整个生命周期中产品对环境的碳排放量的大小。文献[1]提出了产品的多层次碳足迹分析方法,构建了产品多层次碳足迹分析模型,探索了该方法在低碳设计中的应用;文献[2]对零部件之间联接单元的碳足迹进行了递归分配,利用层次分析法提出了一种计算联接单元碳足迹的方法;文献[3]研究了家电产品生命周期内使用阶段的碳排放量,并且针对化石燃料在使用过程中温室气体排放的问题,提出了一种有效的评估方法;文献[4]提出了温室气体排放当量的估算模型,根据其研究成果推荐了一种产品低碳设计的方法;文献[5]通过生命周期分析法,对机床整个生命周期中的碳排放进行了评估,得出了一种针对机床的碳排放量计算方法。

目前关于产品碳足迹的研究已经取得了不少成果,但仍有一些不足。首先,在建立碳足迹模型时,针对不同的研究对象会得出不同的结果,关于能量输入的主观选择因素较强,这些都会影响产品碳排放的计算结果;其次,当前的碳排放研究主要集中在生命周期相对重要的几个阶段,例如材料的加工阶段、零部件的制造阶段以及产品的使用阶段等,而忽略了产品在拆解过程中所造成的碳排放。

针对上述问题,本文将以零部件的拆解序列为基础,以零部件的联接特征为碳排放解算对象,估算产品拆解的碳排放量。拆解碳排放解算流程如图1所示。

图1 拆解碳排放解算流程

1 拆解能耗碳排放量化

1.1 产品的拆解路径规划

产品拆解路径规划可以归结为约束优化问题。研究人员根据产品装配信息来获得产品零部件在装配体中所受到的约束,依据零部件所受到的约束条件生成满足约束关系的可行性拆解序列。

首先获取产品装配的材料清单(bill of material,BOM),根据BOM信息找出零部件之间的联接约束CE和空间干涉约束CDE,通过零部件之间的约束关系建立产品的信息模型。对产品的零部件进行编码,如1,2,3,…,n(n为零部件数目),其中节点V={v1,v2,…,vn}为拆解单元,该编码应与装配图中的编码相匹配,同时也被应用在BOM和数据管理库中。根据联接约束关系和空间干涉约束关系以及编码结果得出产品的邻接矩阵NE和NDE如下:

其中

建立产品的拆解约束信息之后,本文采用回溯算法[6]来搜索符合约束条件的拆解路径,然后根据优化目标得出一条最优的拆解序列,如X1→X2→…→Xi→…→Xn,其中，Xi代表零部件号；n代表零部件数目。

1.2 产品拆解碳足迹模型的建立

产品的拆解碳足迹是指在产品拆解系统边界内,该产品所有拆解活动所产生的温室气体排放量的总和。根据碳排放的来源不同,可以分为由材料消耗所产生的碳排放因子和由能量消耗所产生的碳排放因子两类,分析碳足迹时还包括不确定因素所产生的碳排放因子。建立产品的拆解碳足迹模型如图2所示。

图2 产品的拆解碳足迹模型

图2模型的建立是基于产品零部件的拆解序列。其中,1,2,3,…,n代表零部件；B1,B2,…，Bn-1代表每一项拆解任务。若用ei代表每一项拆解任务的碳排放量,拆解碳排放总量e为:

(1)

1.3 拆解类型及其能耗形式

在产品拆解过程中,不同的装配形式对应不同的拆解能耗。下面是工程中一些常见的拆解形式及其能耗表达。

1.3.1 螺纹拆解

螺纹联接是一种广泛使用并可拆卸的固定联接,具有结构简单、装拆方便、可靠性高等优点。对于普通标准螺纹,根据专家及企业相关经验[7]可得拆解能耗Ed为:

(2)

M=KDF×10-3

(3)

(4)

其中,M为螺纹的拆解扭矩;θ为螺纹的转角;K为阻力系数,主要与螺纹中径的摩擦系数有关,一般取0.2;F为螺纹的预拆解扭力,一般取螺纹破坏载荷的70%～80%;D为螺纹的公称直径;Ca、Cb为拆解联接件和被联接件的刚度;P为螺距;n为拆解联接件的个数。

1.3.2 销联接类型拆解

销大致分为圆柱销和圆锥销,一般用作零部件定位、传递力或力矩以及安全保护等。销和孔之间常采用轻微的过盈联接,常用的圆柱销在拆解过程中的能耗为:

(5)

其中,Fi为拆解过盈配合的冲击力;li为销的装配长度;n为拆解销联接的个数。

1.3.3 其他联接类型拆解

装配体中还有其他多种联接类型,如焊接、过盈联接以及粘接等方式。这些联接的拆解活动都会消耗自然界的一些能量,如人力、电力、天然气等。

1.4 拆解耗能的碳排放折算

在产品的拆解过程中,主要通过经验估算和能源输入转换方式来评估拆解的碳排放当量。原材料生产的碳排放当量见表1所列;常见能源的碳排放系数见表2所列；不同区域电网的碳排放因子见表3所列[8-9]。

表1 部分原材料生产碳排放当量 kg CO2/kg

表2 不同能源的碳排放系数 kg CO2/kg

表3 不同区域电网的碳排放因子 t CO2/(MW·h)

区域碳排放因子区域碳排放因子华北1．0021华中0．9944东北1．0935南方0．9344华东0．8244西北0．9913

根据表1～表3数据可得如下关系:

(6)

其中,mi为消耗能源的质量;Ei为消耗的电能;γi为碳排放系数。

1.5 产品拆解过程不确定因素分析

影响产品拆解过程碳排放的因素有很多,如联接方式、联接材料、能源排放系数、辅助工艺依赖程度等，其中拆解过程辅助工艺的量化一般为不确定因素,因此确定拆解过程不确定因素的碳排放修正系数是问题的关键。

如果把拆解过程相对确定部分的碳排放设为eb,不确定因素产生的碳排放设为er,产品拆解碳排放不确定因子设为δ,碳排放修正系数设为δr,总的碳排放设为e,那么(1)式可以进一步表示为:

(7)

(8)

(9)

拆解过程对碳排放修正系数δri进行量化。辅助工艺主要包括冷却、拉马使用、润滑以及夹具使用4个因素。确定辅助工艺碳排放指标采用的是模糊层次分析法[10]。将拆解过程4个辅助工艺指标分别用α1、α2、α3、α4表示,引入企业经验数据或相关专家的评价结果对4项辅助工艺的相对重要性进行评判。构建n个比较判断矩阵Q(x),其结构为：

(10)

其中,qij值为指标αi相对于αj的重要程度；0.9、0.8、0.7、0.6和0.5分别为极度重要、非常重要、明显重要、略微重要和同等重要;0.4、0.3、0.2和0.1分别为反方向重要程度,因此该矩阵的各元素遵守qij+qji=1的关系。

将(10)式的判断矩阵转化为上三角灰色比较矩阵AG,即

(11)

(12)

其中,Q(x)ij为第x个判断矩阵中第i行、第j列的值。白化矩阵还需要通过约束来验证其模糊一致性,该约束为满足矩阵相邻两行对应元素差恒为常数的条件。若没有通过一致性判断,则可以微调相应判断矩阵各元素值或白化系数来满足一致性条件。

根据上述条件可以得出辅助工艺的权重关系[11]，即

(13)

其中,n为白化矩阵的阶数;α为人为判断各因素重要程度的差异,取值范围为0～1。

对于不同拆解类型所需要的辅助工艺概率要求被量化,即可得到每种拆解类型的拆解概率矩阵。

本文列举5种拆解类型,即螺纹拆解、过盈联接拆解、销拆解、焊接拆解及键拆解,分别用C1、C2、C3、C4、C5表示;辅助工艺指标分别用α1、α2、α3、α4表示。构造出的概率矩阵为:

(14)

结合模糊层次分析法与灰色理论可以得出相应辅助工艺修正系数δi，即

(15)

2 应用实例

以某企业生产的空调外机为实例,对本文所提出的解算方法进行验证。空调外机为典型的机电产品,应用极其广泛,其全生命周期的碳排放相对较大,因此对其进行拆解过程的碳排放分析具有典型意义。

2.1 空调外机拆解碳排放解算

2.1.1 确定空调外机的拆解序列

在进行空调外机拆解序列规划前,首先得到空调外机零部件的BOM清单,见表4所列；再根据零部件的联接关系,得到联接约束的邻接矩阵和空间干涉约束的邻接矩阵。

表4 空调外机零部件清单

本文采用回溯算法搜索可行的拆解序列,最后找出一条最为合理的拆解路径,经计算选择此空调外机的拆解序列为:

2→8→7→5→3→1→6→

14→15→9→10→11→12→13→4。

2.1.2 量化辅助工艺修正系数

通过对相关企业进行调研,征求专家意见,得到4种辅助工艺碳排放的相对重要程度,并构造出如下3个判断矩阵：

其中每个判断矩阵代表一个评判者的评判意见。

微调判断矩阵中的元素并选择合适的白化系数,可得上三角灰色比较矩阵,白化系数χ1=χ2=0.5;根据(12)式可求出灰色比较矩阵如下:

经验证符合一致性约束。判断因素重要度差异系数α取0.8;根据(13)式得到辅助工艺的权重系数为:

[0.453 125 0.265 625 0.203 125 0.078 125]。

企业调研结果表明,对空调外机的拆解可归为上述5种典型的拆解类型,根据这5种拆解类型所对应的辅助工艺,得出其拆解概率矩阵为:

根据(15)式可求得5种拆解类型的辅助工艺修正系数为:

δi=[0.352 13 0.369 38 0.271 41

0.046 72 0.355 31]。

由空调外机的拆解序列可得一个拆解BOM。本例拆解过程中电能消耗均采用华东电网的碳排放因子,取值为0.824 4 t CO2/(MW·h)。空调外机焊接部分的拆解将采用手持式切割机作业,功率为750 W。由表4的空调BOM数据解算出零部件拆解序列,由零部件的拆解序列和空调外机的BOM可以得出空调外机的拆解任务列表，见表5所列。

表5 空调外机拆解任务序列

由表5可知,共有3种拆解类型,分别为螺纹联接拆解、焊接切割拆解以及插接拆解。拆解螺栓分为M12、M10和M8 3种,均为8.8级。其中，M12的螺栓数量为16个；M10的数量为33个；M8的数量为17个。焊接切割拆解的数量为2个,插接拆解的数量为2个。

下面分别对上述拆解类型进行碳排放量化。

(1) 螺纹联接拆解能耗。查表可得8.8级螺栓的抗拉强度为800 MPa、屈服极限为640 MPa,M10螺栓的应力面积为58 mm2。取螺栓拆解的拆解力为其破坏载荷的80%,螺距P为1.5 mm,联接材料的刚度分别为1.193×105、1.328×105N/mm,根据(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,

同理可计算得到M12、M8螺栓的拆解能耗分别为Ed12=15 965 J和Ed8=2 130 J。

(2) 焊接切割拆解能耗。功率P=750 W,根据表5可知拆解时间t=20 s,得到拆解能耗为Eh=Pt=750×20=15 000 J。

(3) 插接拆解能耗。提手的插入深度约为15 mm,拆解力为20 N,装配的能耗为0.3 J。

(4) 根据已计算出的各种拆解能耗修正系数以及表3的碳排放转换因子,可以得出上述几种拆解类型的碳排放量值。

螺栓拆解的碳排放量为:

(16×15 965+33×6 711+

17×2 130)≈158.9g。

焊接切割拆解的碳排放量为:

e2=2×(1+0.046 72)×

由于插接拆解能耗非常小,本文忽略不计,在整个空调外机拆解中碳排放量共计为166.1 g。

2.2 空调外机全生命周期的碳足迹分析

空调外机的零部件组成如图3所示。

采用GaBi软件对空调外机进行生命周期分析,即可得到空调外机的全生命周期碳排放。这里设定空调外机的输入功率为1 100 W,每天开机6 h,使用寿命为8 a。绘制GaBi分析方案图,根据上述输入条件可以得到相应的碳排放数据,分别计算出不同阶段的碳排放值,结果见表6所列。

图3 空调外机的零部件模块

表6 空调外机各阶段碳排放值 kg

由表6可知,空调外机全生命周期碳排放总量约为8 343.77 kg,而拆解阶段的碳排放大约为0.17 kg,占整个生命周期碳排放量的0.002 0%,所占比例极小,可以忽略不计。这进一步说明了空调外机的拆解活动基本不会对环境造成污染。

3 结 论

本文以产品在拆解过程中的碳排放为研究对象,基于产品拆解规划序列建立了产品拆解过程的碳排放量化模型,提出了产品拆解碳排放修正系数的概念,为量化碳排放提供了理论基础。

产品拆解过程的碳排放可以作为产品环境友好属性的评价标准之一,同时在产品开发的过程中,还可以作为产品逆向设计的重要参数,为产品在生命周期末端较低的环境影响提供理论基础。

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(责任编辑 胡亚敏)

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

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2013AA040202)

汤可石(1986-),男,安徽凤阳人,合肥工业大学硕士生; 王玉琳(1966-),男,安徽六安人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.004

TH122

A

1003-5060(2017)01-0018-06