周亞蘭 龔本剛 張孝琪

（安徽工程大學管理工程學院，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

綜上所述，國內(nèi)外對能源消耗碳排放的研究多從產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品層面出發(fā)探究其碳排放特性，多集中于碳排放動態(tài)評價模型研究，而針對工藝的研究也主要集中在機械加工工藝，鮮有對汽車生產(chǎn)流程中的能源消耗碳排放的研究。對此，本文對汽車生產(chǎn)制流程中能源消耗與碳排放進行研究，并提出不同工藝環(huán)節(jié)能源消耗碳排放的計算方法，并給出節(jié)能減排對策建議。

2 汽車生產(chǎn)過程中的能源消耗分析

一般來講，汽車的生產(chǎn)過程主要包括沖壓、焊裝、涂裝、總裝這四大工藝，它完成了從原材料、零部件到汽車整車以及測試的過程（見圖1）。汽車在生產(chǎn)制造過程中直接或間接的都會消耗原材料（鋼、鐵等）、輔助材料（刀具等）、能源（電、煤、天然氣等），并產(chǎn)生廢棄物排放（廢屑、廢液、廢氣等），物料和能源的使用都不可避免的產(chǎn)生碳排放。汽車生產(chǎn)過程中能源消耗碳排放主要包括生產(chǎn)過程中四大工藝的能源碳排放以及物料移動的碳排放。

圖1 汽車生產(chǎn)工藝流程及能耗簡圖

2.1 沖壓工藝。沖壓工藝是一種使板料經(jīng)分離或成形得到制件的加工方法。沖壓加工工序包括有沖裁、切開、切邊、切舌、切斷、擴口、沖孔、沖缺、沖槽、沖中心孔、精沖、連續(xù)模、單工序模、組合沖模、壓凸、壓花、成形等。沖壓首先是把鋼板在切割機上切割出合適的大小，然后在一臺沖壓機床進行初始的切割，這個時候一般只進行沖孔、切邊之類的動作，以便于下一操作，在進行簡單的沖孔、切邊后，就會進入真正的沖壓成形工序，而這一系列的沖孔及切邊等工序的主要能耗為電能。沖壓成形由沖壓機床和模具實現(xiàn)，每一個工序大多都是先經(jīng)過沖壓成形，然后再經(jīng)過沖孔、切邊、翻邊等等工序，最后才會成為所需要的工件，而沖壓成形的主要能耗為電能和空氣壓縮。切割機械對金屬部件進行切割需消耗電能，沖壓工藝過程碳排放主要來源于產(chǎn)生電能的碳排放。沖壓工藝主要消耗的能源有電能、空氣壓縮、水等。電能的消耗主要是來自沖壓工藝中設備的使用，空氣壓縮主要是沖孔、沖缺、沖槽、沖中心孔、組合沖模、壓凸、壓花、成形等工序的操作，沖壓工藝中厚板用水壓機成形，水壓機需要消耗水。

2.2 焊接工藝。汽車焊裝就是將沖壓好的車身零件用夾具定位，采用焊接的方法將其接合形成車聲總成。焊裝使用的主要設備有懸掛式電焊機、座式電焊機、CO2氣體保護焊機、T型螺柱焊機、釬焊、焊機機器人、激光焊接。焊接工藝的能源消耗主要是來自焊接設備的使用。焊接的能耗主要是電量、壓縮空氣、水、循環(huán)用水等。焊裝工藝中的電能的消耗主要是來自焊接設備的使用，水和循環(huán)用水主要是用于焊接過后的冷卻?？諝鈮嚎s主要是用于零部件里的鐵屑等的清除。

2.3 涂裝工藝。汽車涂裝工藝對于汽車制造有兩個重要作用，一是對汽車的防腐蝕作用，一是給汽車增加美觀作用。涂裝工藝一般可分為兩大部分：一是涂裝前金屬的表面處理，也叫前處理技術，前處理技術的使用的主要能耗一般為電能和空氣壓縮；二是涂裝的施工工藝，施工工藝的的能耗主要為電能、蒸汽和水。涂裝的工藝流程為預脫脂→脫脂→熱水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→中和→冷水洗→表面調(diào)整→磷化→冷水洗→熱水洗→純水洗→干燥。涂裝工藝中的能源消耗的主要是電能的消耗和涂裝的烘干過程。在烘干處理工序中，需使用天然氣等進行燃燒產(chǎn)熱，直接向環(huán)境排放二氧化碳。涂裝的能源消耗還包括產(chǎn)生蒸汽、空氣壓縮、水和循環(huán)用水的能源消耗。汽車涂裝工藝中水和循環(huán)用水的消耗主要是來自各種水洗的工序，空氣壓縮主要是來預脫脂、脫脂和干燥以及清除工件表面的油污、塵土、銹蝕、以及進行修補作業(yè)時舊涂料層的清除等，而水蒸氣的消耗主要是熱水洗的需求。

2.4 總裝工藝。汽車裝配工藝就是將車身、發(fā)動機、變速器、儀表板、車燈、車門等構(gòu)成整輛車的各零件裝配起來生產(chǎn)出整車的過程。裝配工藝主要分為四個模塊即前圍裝配、儀表盤裝配、車燈裝配、底盤裝配。裝配過程耗能主要為裝配生產(chǎn)線上各機械設備消耗的電能，因此裝配過程產(chǎn)生碳排放主要是來自生產(chǎn)電能的碳排放。裝配過程的能源消耗還包括空氣壓縮的能源消耗和水量的消耗。水量的消耗主要是來自裝配中的清洗配件。而空氣壓縮主要是用來清除油孔中的鐵屑及油垢以及其他清除工作。

汽車生產(chǎn)流程中的能源消耗和碳排放還包括汽車生產(chǎn)中的車間物料移動的能耗和碳排放。在汽車生產(chǎn)流程中，需要運輸原材料、外購零部件、半成品等。物料移動的能源消耗主要是車間運輸工具的能源消耗。車間運輸工具能耗會產(chǎn)生碳排放。

該航道防沖工程的施工現(xiàn)場空間較小，兩岸堤防設施及景觀設施完善，且周圍居民住宅較多，護岸邊高低壓線路縱橫，采用常規(guī)陸地打拔樁機施工將破壞部分堤防景觀及高低壓線路設施，對居民的日常生活產(chǎn)生巨大影響，施工難度較大。

3 汽車生產(chǎn)流程中能源消耗的碳排放計算方法

汽車生產(chǎn)過程中碳排放主要包括制造生產(chǎn)過程中四大工藝的能源消耗發(fā)生的碳排放以及物料移動的碳排放。下面分別對汽車生產(chǎn)過程中的沖壓工藝、焊接工藝、涂裝工藝、總裝工藝等四大工藝和物料移動的碳排放計算模型進行設計。

3.1 沖壓工藝。沖壓工藝過程中能耗主要有電量、空氣壓縮量、水量等。沖壓工藝過程中的碳排放計算可以簡化為：

其中，Gi是第i道工序的電能消耗量，Hi是第i道工序的空氣壓縮量，Di是第i道工序的水量，EF電是電能的碳排放系數(shù)，EF空是空氣壓縮的碳排放系數(shù)，EF水是水的碳排放系數(shù)。

3.2 焊接工藝。焊接工藝過程中的能耗主要有電量、空氣壓縮量、水量、循環(huán)水量等。焊接工藝過程中的碳排放計算可以簡化為：

其中，Gj是第j道工序的電能消耗量，Hj是第j道工序的空氣壓縮量，Dj是第j道工序的水量，F(xiàn)j是第j道工序的循環(huán)水量，EF環(huán)是循環(huán)用水的碳排放系數(shù)。

3.3 涂裝工藝。涂裝工藝過程中的能耗主要有電量、蒸汽量、天然氣量、空氣壓縮量、水量、循環(huán)用水量等。涂裝工藝過程中的碳排放計算可以簡化為：

其中，Gk是第k道工序的電能消耗量，Hk是第k道工序的空氣壓縮量，Dk是第k道工序的水量，F(xiàn)k是第k道工序的循環(huán)水量，Nk是第k道工序的蒸汽消耗量，EF蒸是蒸汽的碳排放系數(shù)。Qk是第k道工序的天然氣消耗量，EF氣是天然氣的碳排放系數(shù)。

3.4 總裝工藝。汽車裝配是汽車全部制造工藝過程的最終環(huán)節(jié)，是把經(jīng)檢驗合格的數(shù)以千計的各類零件，按規(guī)定的精度標準和技術要求組合成分總成、總成、整車，并經(jīng)嚴格的檢測程序，確認其是否合格的整個工藝過程?？傃b工藝過程中的碳排放計算可以簡化為：

其中，Gl是第l道工序的電能消耗量，Hl是第l道工序的空氣壓縮量，Dl是第l道工序的水量。

在汽車生產(chǎn)流程中，汽車生產(chǎn)過程需要運輸原材料、零部件等，物料移動的碳排放只考慮了汽車產(chǎn)品的運輸，運輸?shù)奶寂欧胖饕苓\輸距離的影響，則生產(chǎn)過程中運輸碳排放為：

式中：Pe為物料移動碳排放；L為運輸總噸距離；PEi為運輸碳排放系數(shù)。

綜合以上分析，汽車生產(chǎn)流程中總碳排放Et的計算公式可以表達為：

4 應用舉例

4.1 數(shù)據(jù)收集

以某公司乘用車生產(chǎn)過程為例，對生產(chǎn)過程中能源消耗的碳排放進行計算。該公司乘用車生產(chǎn)過程中能源消耗數(shù)據(jù)見表1。

表1 乘用車能源消耗表

空氣壓縮時實際上是消耗電能驅(qū)動壓縮機，所以汽車生產(chǎn)工藝中的空氣壓縮量的碳排放可以轉(zhuǎn)換成電能的碳排放?？諝鈮嚎s機產(chǎn)氣量338m3的耗電量為108kw·h，而在這里我們把1Nm3就看作是1m3，所以1Nm3的電量消耗為0.32kw·h[14]。蒸汽量的能耗實際上也是電能的消耗，一般低壓蒸汽折標煤系數(shù)為0.1286kgce/kg，當量電力折標煤系數(shù)為0.1229kgce/kg，所以理論折算比值為0.1286：0.1229。大概就是一噸蒸汽折1000度電左右[12]。當然具體到應該當中，還要看使用設備的熱效率。在這里本文就去取一噸蒸汽折1000度電左右。水循環(huán)設備年耗電量為878000kw·h，耗水量為4600m3，所以每噸循環(huán)水量的電耗為190.87kw·h[13]。該公司汽車生產(chǎn)過程中的運輸工具的主要能耗是來源于柴油的消耗，而柴油的碳排放系數(shù)為3.0959 kg-CO2/kg，而本公司的全年單車柴油量為2.5L。在這里電能、天然氣、柴油的碳排放系數(shù)均來自中國合同能源管理網(wǎng)。

綜合以上分析，可計算出各種能耗的碳排放系數(shù)如下表2所示。

表2 各種能耗碳排放系數(shù) kgCO2e/kgce

根據(jù)以上的調(diào)研數(shù)據(jù)帶入上式（6）得：

4.2 結(jié)果分析

將各工藝能耗對系統(tǒng)碳排放量的影響進行比較，可以找出具體某類能源消耗是影響總碳排放的主要因素，為決策者制定節(jié)能措施提供依據(jù)。在上述實例中，由單車排放直方圖（如圖2）可知，涂裝能耗是影響總碳排放的最主要因素，其次是焊裝能耗。

圖2 汽車生產(chǎn)四大工藝與物料移動單車排放直方圖

圖3 汽車生產(chǎn)工藝能耗碳排放直方圖

圖2、3分別是汽車生產(chǎn)四大工藝與物料移動單車排放直方圖和汽車生產(chǎn)工藝能耗碳排放直方圖，從這兩個圖中均可以看出能耗碳排放主要來源是空氣壓縮和電能，而空氣壓縮的能耗主要是來自電能的消耗，所以汽車生產(chǎn)中節(jié)能減排的關鍵在于電能的優(yōu)化。首先是沖壓車間的節(jié)電，沖壓車間的電動機由于生產(chǎn)節(jié)拍的限制，長期工作處于25%左右的低負載狀況，電能大量浪費。如果在工藝規(guī)劃設計選擇設備時考慮采用變頻器，通過降低電動機轉(zhuǎn)速來降低液壓泵的輸出功率，使液壓泵的輸出功率與實時負載匹配，提高電動機的功率因素，改善電動機的啟動和停機性能，并且可以減少泵損耗，從而達到節(jié)電的效果。其次是焊接車間的焊裝設備可采用節(jié)能逆變（IGBT）弧焊設備，與非逆變弧焊設備相比可節(jié)能20%左右；采用焊機群控制系統(tǒng)相平衡，避免沖擊負荷可節(jié)能20%左右。然后是涂裝車間可通過密封涂膠改用濕碰濕工藝；取消密封膠烘干作業(yè)；優(yōu)化烘房工藝溫度；打破行業(yè)常規(guī)，降低噴房冬季施工溫濕度范圍等措施來達到節(jié)電的效果。最后是總裝車間可選擇總裝車間輸送鏈，積放摩擦式輸送線這種新型輸送線方式比傳統(tǒng)鏈式輸送機效率高、節(jié)拍快，輸送速度提高80%左右，從而達到節(jié)約電能的效果。除了總裝車間外，在焊裝車間和涂裝車間也可以大量使用輸送鏈，選用節(jié)能減排的設備，能夠最大化地達到其節(jié)能減排的目標。

總的來說，要減少汽車生產(chǎn)制造過程碳排放就要必須減少能源消耗，因此還可從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計和工藝設計兩方面入手。在汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計方面，實行減量化設計，以減少產(chǎn)品的能源消耗，從而相應地減少其生產(chǎn)制造過程的碳排放；同時對產(chǎn)品進行節(jié)材設計，優(yōu)先使用CO2排放影響低的材料和提高產(chǎn)品的回收利用率，可以減少產(chǎn)品的溫室氣體排放。在產(chǎn)品工藝設計方面，對現(xiàn)有工藝路線、工藝方法、工藝裝備、工藝參數(shù)和工藝方案等進行優(yōu)化，盡量減少生產(chǎn)制造過程能源消耗。同時通過減少生產(chǎn)制造工藝過程的能源消耗，就能減少生產(chǎn)制造過程產(chǎn)生的廢棄物，從而減少廢棄物處理過程的能耗和碳排放。因此從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計和工藝設計上入手，通過實現(xiàn)能源消耗最小化，能夠從整體上減少汽車生產(chǎn)制造過程的碳排放。最后可以對產(chǎn)品進行碳排放量化評估，可為設計人員針對降低產(chǎn)品碳排放量進行設計改進提供有針對性的指導，并可以推廣到其他行業(yè)。

5 小結(jié)

汽車生產(chǎn)制造業(yè)作為我國制造業(yè)的典型能源消耗大戶，研究其產(chǎn)品制造過程能源消耗碳排放對節(jié)能減排的實施具有指導意義。汽車生產(chǎn)流程中能源消耗碳排放的分析工作離不開汽車流程工藝圖，流程圖是基礎。本文在分析說明汽車生產(chǎn)流程工藝圖的基礎上，具體分析汽車生產(chǎn)流程中四大工藝的能源消耗與碳排放，給出了汽車生產(chǎn)流程中能源消耗碳排放的計算方法。結(jié)合具體案例數(shù)據(jù)分析給出節(jié)能減排的對策建議。汽車生產(chǎn)企業(yè)應在有條件的情況下，盡可能分析汽車生產(chǎn)流程中的所有能源消耗與碳排放，明確所有碳排放源，以找出生產(chǎn)中存在的問題，為進一步節(jié)能、降低成本減少碳排放指明途徑。本文在汽車生產(chǎn)制造過程的資源消耗數(shù)據(jù)收集上采用的是平均消耗數(shù)據(jù)，更為詳盡的資源消耗隨時間變化的動態(tài)規(guī)律還有待進一步研究，從而更好地探索能源消耗碳排放的動態(tài)性。

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