陳 銘

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海，200240

0 引言

據(jù)估計(jì)，我國每年的汽車報(bào)廢量約為700萬輛，與整個(gè)歐盟相當(dāng)，到2025年時(shí)，報(bào)廢汽車數(shù)量將達(dá)到1 200萬輛。報(bào)廢汽車的合理處置將對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境產(chǎn)生重要的影響。

從環(huán)保角度出發(fā)，材料的生產(chǎn)和加工對(duì)環(huán)境有著極強(qiáng)的負(fù)面影響，這樣的影響雖然可以通過提高現(xiàn)有流程的效率加以改善，可終究不是治根之法。所以，提高材料利用率和降低原材料需求總量將成為解決問題的根本。針對(duì)這一情形， ALLWOOD等[1-3]提出了“材料效率”的概念，并于2011年在《材料效率白皮書》中對(duì)材料效率進(jìn)行了定義，即“在減少材料生產(chǎn)和加工的同時(shí)提供相同的材料服務(wù)”。

減少新材料的生產(chǎn)需求，意味著減少自然資源的開采，降低能源需求，從而減少溫室氣體排放。一輛汽車往往由2～3萬個(gè)零部件組成，材料種類超過4000種，世界上每年鋼材產(chǎn)量的1/4、橡膠產(chǎn)量的1/2以及石油產(chǎn)量的1/2均被用于汽車及其相關(guān)工業(yè)。若以每輛報(bào)廢汽車平均車重1.2噸計(jì)算，目前我國的報(bào)廢汽車每年能直接提供約840萬噸的材料。值得注意的是，這些材料大多以發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等高附加值零部件的形式存在，而非單純的原材料。由此，作為“城市礦產(chǎn)”的重要組成部分，合理處理報(bào)廢汽車能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

當(dāng)前關(guān)于材料效率的各類研究僅考慮了產(chǎn)品的環(huán)境屬性(即能源消耗和環(huán)境排放)，尚未注重產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)屬性。材料效率的執(zhí)行主體是企業(yè)，如果不考慮經(jīng)濟(jì)性，材料效率的理念只是空談。從材料效率視角，我國報(bào)廢汽車的回收處理面臨以下難題：

(1)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)提高回收利用率的作用還不明顯。汽車制造商對(duì)產(chǎn)品可回收性、可拆解性、可再制造設(shè)計(jì)的重視程度不夠；車用材料中重金屬、溴阻燃劑、多氯聯(lián)苯等環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)的使用給下游回收利用帶來巨大挑戰(zhàn)；缺少統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以指導(dǎo)再生非金屬材料在汽車產(chǎn)品中的使用。

(2)汽車輕量化、智能化、電動(dòng)化和新材料的廣泛使用，將影響汽車產(chǎn)品95%回收利用率目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。動(dòng)力蓄電池、燃料電池、儲(chǔ)氫裝置、電子控制單元等先進(jìn)復(fù)雜零部件不斷涌現(xiàn)，需要開發(fā)新的回收利用策略來應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)。

(3)退役車用材料和零部件的再利用經(jīng)濟(jì)價(jià)值決定了汽車回收利用產(chǎn)業(yè)的未來，然而，高附加值再利用技術(shù)研發(fā)成本比較高，開發(fā)周期長，研發(fā)資金投入不足。我國汽車拆解企業(yè)仍以獲取廢金屬材料為目標(biāo)，拆解作業(yè)隨意性大，并未形成科學(xué)合理的拆解策略和適應(yīng)未來大規(guī)模拆解要求的工藝規(guī)劃；拆解、破碎產(chǎn)生的廢棄物給后續(xù)處置帶來沉重負(fù)擔(dān)。

(4)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)正在深刻影響資源回收利用的效率和附加價(jià)值，消費(fèi)者的觀念和關(guān)注度將真正成為回收利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力。目前，消費(fèi)者往往認(rèn)為再制造零部件以及再生材料生產(chǎn)的產(chǎn)品在性能與價(jià)值上低于新產(chǎn)品。

因此，從材料效率角度考慮回收問題時(shí)，在強(qiáng)調(diào)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)企業(yè)在設(shè)計(jì)階段須充分考慮回收性設(shè)計(jì)的同時(shí)，必須扶植并強(qiáng)化汽車產(chǎn)品回收利用產(chǎn)業(yè)，必須建立合理的再使用和再制造零部件的追蹤機(jī)制，不斷強(qiáng)化消費(fèi)者對(duì)再使用和再制造零部件在功能和安全使用方面的信心。

本文在理解并重新定義材料效率的同時(shí)，以上海交通大學(xué)可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造課題組的研究為例，介紹了面向材料效率的汽車產(chǎn)品回收利用過程中的關(guān)鍵問題。

1 汽車產(chǎn)品中的材料效率

材料效率的核心價(jià)值在于節(jié)能減排。雖然現(xiàn)代生產(chǎn)仍有提升能源效率的空間，但這些并不足以滿足國際社會(huì)提出的減少溫室氣體排放的要求。除非有新的低碳能源能夠替代化石燃料，或二氧化碳可以被捕捉并被安全貯存，否則，降低工業(yè)制造中的溫室氣體排放可直接解讀為降低原材料需求總量，即提高材料效率。GUTOWSKI等[4]對(duì)材料的初級(jí)及次級(jí)生產(chǎn)方法進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，通過提高材料效率，可使未來生產(chǎn)潛力提升50%而不增加排放，突顯了材料效率的重要意義。

傳統(tǒng)汽車制造重視正向制造過程(原料制備、加工制造、裝配)，常忽略逆向過程(汽車報(bào)廢、資源再生、回收利用)。汽車產(chǎn)品綠色制造是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)(圖1)，兼顧了制造的正向和逆向過程，綜合考慮了汽車產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到報(bào)廢的全生命周期內(nèi)對(duì)自然環(huán)境的影響。

圖1 汽車產(chǎn)品綠色制造閉環(huán)系統(tǒng)Fig.1 Closed loop system of auto productsgreen manufacturing

圖1中，實(shí)線箭頭為正向過程，其中虛線方框代表能量效率關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。國際能源署[5]于2008年對(duì)包括鋼、鋁、紙、水泥、塑料在內(nèi)的5種材料進(jìn)行能量效率分析，結(jié)果顯示：若全球所有工廠都能采用最佳節(jié)能減排技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，單位鋼產(chǎn)量可減少34%的CO2排放量，鋁、紙、水泥和塑料的CO2排放量可分別減少24%、38%、40%和22%；通過改進(jìn)工藝、升級(jí)改造設(shè)備，可進(jìn)一步減少23%～40%的CO2排放。然而，表1的結(jié)果顯示，相比一些稀有材料(如鈦)，當(dāng)前鋼鐵和鋁材生產(chǎn)過程中的能量需求已逼近其熱動(dòng)力學(xué)的極限，因此，對(duì)于這些金屬而言，已很難通過改善工藝過程的方式大幅度提高能量效率。圖1虛線箭頭部分為制造的逆向過程，體現(xiàn)了材料效率關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域，包括減量化、小型化、長壽命、可回收、模塊化、可重構(gòu)、近凈成形等可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造基本方法，以及再使用、再制造、共享租賃等延長生命周期、提高使用效率的基本方法。

表1 部分金屬元素的理論與當(dāng)前生產(chǎn)過程中的能量需求比較

注：標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)是指在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下由其參考組合物生產(chǎn)純材料所需的最小可逆功。

2 材料效率的新定義及汽車報(bào)廢環(huán)節(jié)中提高材料效率的措施

ALLWOOD等[3]給出了材料效率的定義，明確了材料效率的實(shí)質(zhì)是節(jié)能減排，其分析過程雖然體現(xiàn)了環(huán)保的理念，但并未考慮經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)性、合規(guī)性等其他屬性。材料效率的執(zhí)行主體是企業(yè)，企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新，提高再使用/再制造產(chǎn)品、再生材料的產(chǎn)值和利潤，間接地促進(jìn)了汽車產(chǎn)品回收利用率的提高，同時(shí)，相應(yīng)降低了材料再利用或能量回收利用過程中的排放強(qiáng)度。這些構(gòu)成了企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。由此，在分析材料效率時(shí)不僅應(yīng)考慮環(huán)境性，還應(yīng)將經(jīng)濟(jì)性納入其中?；诖丝紤]，上海交通大學(xué)可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造課題組對(duì)材料效率重新進(jìn)行了定義，即“通過提高再使用、再利用、回收利用的經(jīng)濟(jì)效益并降低其排放強(qiáng)度，在減少材料生產(chǎn)和加工的同時(shí)提供相同的材料服務(wù)”。

新定義的材料效率可通過數(shù)學(xué)公式來表示：

(1)

式中，C為材料總能耗及排放；N為新需求量；S為現(xiàn)有庫存量；L為平均壽命；mp為產(chǎn)品中材料的質(zhì)量；D為產(chǎn)品所需求的材料的質(zhì)量；ms為材料供給的質(zhì)量，ms=m0+mu+mm+mr+mrov；m0、P0、C0分別為初級(jí)礦石供給的材料質(zhì)量、產(chǎn)值和排放；mu、Pu、Cu分別為再使用產(chǎn)品供給的材料質(zhì)量、產(chǎn)值和排放；mm、Pm、Cm分別為再制造產(chǎn)品供給的材料質(zhì)量、產(chǎn)值和排放；mr、Pr、Cr分別為再利用供給的材料質(zhì)量、產(chǎn)值和排放；mrov、Prov、Crov分別為能量回收利用供給的材料質(zhì)量、產(chǎn)值和排放。

根據(jù)式(1)可知，提高產(chǎn)品材料效率的主要措施有：

(1)減小N，即通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低對(duì)鋼鐵、有色、化工、造紙、建材等材料密集型產(chǎn)業(yè)的依賴，實(shí)現(xiàn)工業(yè)的持續(xù)繁榮。

(2)增大L，即通過延長使用壽命，減少對(duì)產(chǎn)品的需求。

(3)減小C0、Cr或Crov，即提高能量效率，在生產(chǎn)、再利用或能量回收利用過程中進(jìn)行碳捕集，推行脫碳工藝。

(4)減小mp/D，即通過輕量化設(shè)計(jì)等可持續(xù)設(shè)計(jì)方法減少材料輸入。

(5)減小ms/mp，即降低生產(chǎn)過程中的材料損失率。

(6)增大mu/ms、mm/ms、mr/ms、mrov/ms，即提高產(chǎn)品再使用率、產(chǎn)品再制造率、材料再利用率、能量回收利用率。

(7)增大Pu/mu、Pm/mm、Pr/mr、Prov/mrov，即提高單位再使用產(chǎn)品的產(chǎn)值、單位再制造產(chǎn)品的產(chǎn)值、單位再利用材料的產(chǎn)值、單位能量回收利用材料的產(chǎn)值。

(8)減小C0/P0、Cr/Pr、Crov/Prov，即降低生產(chǎn)、再利用或能量回收利用過程中的排放強(qiáng)度(單位產(chǎn)值的平均排放)。

報(bào)廢汽車的回收處理本質(zhì)上體現(xiàn)了提高汽車產(chǎn)品材料效率的具體措施。參考式(1)，汽車報(bào)廢環(huán)節(jié)中提高材料效率的主要措施有：

(1)減小mp/D，即通過可拆解性設(shè)計(jì)、可回收性設(shè)計(jì)、綠色模塊化設(shè)計(jì)、減類化設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)和生命周期評(píng)價(jià)等可持續(xù)設(shè)計(jì)方法減少材料輸入。

(2)增大mu/ms、mm/ms，即通過優(yōu)化拆解策略、研究深度拆解工藝、開發(fā)再制造技術(shù)，提高汽車產(chǎn)品再使用、再制造率。

(3)增大mr/ms，即通過研究機(jī)械化破碎、分選工藝，開發(fā)高附加值再利用技術(shù)，提高汽車產(chǎn)品材料再利用率。

(4)增大mrov/ms，即通過開發(fā)能量回收利用技術(shù)，提高汽車產(chǎn)品回收利用率。

(5)增大Pu/mu、Pm/mm、Pr/mr、Prov/mrov，即通過技術(shù)創(chuàng)新，提高單位再使用、再制造產(chǎn)品的產(chǎn)值，提高單位再利用、回收利用材料的產(chǎn)值，促進(jìn)汽車產(chǎn)品再使用、再利用、回收利用率的提高。

(6)減小Cr/Pr、Crov/Prov，即通過技術(shù)進(jìn)步，降低汽車產(chǎn)品材料再利用或能量回收利用過程中單位產(chǎn)值的平均排放。

3 面向材料效率的汽車產(chǎn)品回收利用關(guān)鍵技術(shù)

上海交通大學(xué)可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造課題組近年來在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)、回收拆解、破碎分選、再利用/再制造和資源化等環(huán)節(jié)開展了一系列的關(guān)鍵技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化示范[6-7]。根據(jù)式(1)中涉及的提高材料效率的幾個(gè)關(guān)鍵因素和對(duì)應(yīng)的措施，本文從汽車產(chǎn)品回收的可持續(xù)設(shè)計(jì)方法、汽車產(chǎn)品再使用率/再制造率、汽車產(chǎn)品材料再利用率和汽車產(chǎn)品回收利用率幾個(gè)方面來介紹課題組面向材料效率的關(guān)鍵技術(shù)研究情況，如圖2所示。

圖2 面向材料效率的汽車產(chǎn)品回收利用關(guān)鍵技術(shù)Fig.2 Key technologies for recycling automotive products for material efficiency

在綠色設(shè)計(jì)方面，以乘用車為研究對(duì)象，掌握了產(chǎn)品可拆解性設(shè)計(jì)技術(shù)、可再利用性設(shè)計(jì)技術(shù)[8]、零部件綠色供應(yīng)鏈管理技術(shù)，并成功應(yīng)用于“Lavida/朗逸”車型的設(shè)計(jì)開發(fā)中，從源頭上提高了我國汽車產(chǎn)品可回收利用率。在汽車產(chǎn)品材料利用率的綠色拆解和材料分選方面，研究了報(bào)廢汽車綠色拆解工藝流程，開發(fā)了環(huán)保預(yù)處理與深度拆解專用設(shè)備，建成了年拆解能力3萬輛的退役乘用車高效深度拆解生產(chǎn)線、年處理能力1 500噸的報(bào)廢汽車內(nèi)外飾件再利用處理生產(chǎn)線[9-13]和年處理能力5萬噸的破碎識(shí)別分選處理成套裝備，取得了比較明顯的經(jīng)濟(jì)效益，為提升我國報(bào)廢汽車回收拆解行業(yè)的水平提供了技術(shù)支撐。在再使用率/再制造率的再制造技術(shù)方面，研究了一整套適用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件再制造的綠色清潔、質(zhì)量檢測[14-15]、精度恢復(fù)的工藝，開發(fā)了5臺(tái)再制造專用設(shè)備，在濰柴動(dòng)力(濰坊)再制造有限公司、康明斯(襄樊)機(jī)加工有限公司、中國人民解放軍第六四五六工廠再制造基地、一汽解放汽車有限公司無錫柴油機(jī)廠再制造等產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中獲得了應(yīng)用，為我國汽車零部件再制造行業(yè)提供了技術(shù)支撐。

近年來，課題組重點(diǎn)研究了可持續(xù)設(shè)計(jì)方法的生命周期評(píng)價(jià)和報(bào)廢汽車前景預(yù)測分析、再使用率/再制造率方面的拆解策略和再制造工藝、材料回收利用率方面的高附加值再利用以及汽車產(chǎn)品回收利用率方面的能量回收等。本文從柴油機(jī)生命周期排放評(píng)價(jià)(life cycle emission analysis, LCEA)、汽車報(bào)廢量預(yù)測分析、報(bào)廢汽車的拆解策略與拆解規(guī)劃、共軌噴油器再制造、動(dòng)力電池的梯次利用、汽車破碎殘余物(automobile shredder residue, ASR)的能量回收利用等方面介紹課題組相關(guān)研究工作的開展情況。

3.1 柴油機(jī)生命周期排放評(píng)價(jià)

目前，幾乎所有的再制造都是以“再制造產(chǎn)品的性能與質(zhì)量達(dá)到原型新品要求”為原則而開展的，但是，再制造產(chǎn)品具有技術(shù)滯后性，而新品更新?lián)Q代較快，這使部分再制造產(chǎn)品與當(dāng)前產(chǎn)品的性能要求差距很大。若只進(jìn)行原型再制造的環(huán)境影響分析，則不能準(zhǔn)確反映再制造活動(dòng)對(duì)環(huán)境的真實(shí)影響。以再制造柴油機(jī)為例，大部分再制造柴油機(jī)仍滿足國Ⅱ、國Ⅲ和國Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，而我國已經(jīng)開始實(shí)施國Ⅴ階段排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，應(yīng)對(duì)國Ⅱ、國Ⅲ、國Ⅳ再制造柴油機(jī)與國Ⅴ柴油機(jī)在全生命周期內(nèi)的污染物排放差異性進(jìn)行對(duì)比分析，以制定在當(dāng)前排放標(biāo)準(zhǔn)下柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)采取的再制造策略。

柴油機(jī)的生命周期可以分為原材料獲取、坯料生產(chǎn)、零件生產(chǎn)、柴油機(jī)裝配調(diào)試、柴油機(jī)使用和報(bào)廢處理6個(gè)階段，見圖3。利用LCEA方法分析國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)下再制造國Ⅱ、國Ⅲ及國Ⅳ柴油機(jī)在全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響時(shí)，需要對(duì)比原材料獲取、坯料生產(chǎn)、零件生產(chǎn)和使用等4個(gè)階段，并假定在柴油機(jī)裝配調(diào)試和報(bào)廢處理階段沒有差別。選取同一公司生產(chǎn)的4種不同排放等級(jí)的柴油機(jī)(表2)，柴油機(jī)的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)型式都比較接近。此外，LCEA清單數(shù)據(jù)計(jì)算中最主要的部分來源于材料生產(chǎn)，而4種型號(hào)的材料組成及其重量都比較接近，適合作為對(duì)比研究對(duì)象進(jìn)行生命周期排放評(píng)價(jià)。假設(shè)新生產(chǎn)的國Ⅱ、國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)在使用階段以外的所有生命周期階段內(nèi)耗能、耗材及排放的差異忽略不計(jì)，并且在對(duì)國Ⅱ、國Ⅲ、國Ⅳ柴油機(jī)進(jìn)行原型再制造時(shí)獲得相同的環(huán)境效益，通過對(duì)比“原型再制造環(huán)境效益+使用階段環(huán)境影響”的差異，可實(shí)現(xiàn)在執(zhí)行國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)再制造國Ⅱ、國Ⅲ和國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)的全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

圖3 柴油機(jī)生命周期和再制造Fig.3 Diesel engine life cycle and remanufacturing

型號(hào)WD615.87WD615.93ED10.29-40D10.28-50型式直列六缸、四沖程、增壓中冷直列六缸、四沖程、增壓中冷直列六缸、四沖程、增壓中冷直列六缸、四沖程、增壓中冷氣門數(shù)2422缸徑×行程(mm×mm)126×130126×130126×130126×130排量(L)9.7269.7269.7269.726壓縮比17∶117.5∶117∶117∶1額定功率(kW)213213213206額定轉(zhuǎn)速(r/min)2 2002 2001 9001 900最大扭矩(N·m)1 1601 1601 2901 190最大扭矩轉(zhuǎn)速(r/min)1 100～1 6001 100～1 6001 200～1 5001 200～1 500外特性最低比油耗(g/(kW·h))≤193≤189≤189≤189凈重量(kg)850850850850燃油系統(tǒng)直列泵電控單體泵高壓共軌高壓共軌排放水平國Ⅱ國Ⅲ(EGR)國Ⅳ(SCR)國Ⅴ(SCR)

對(duì)柴油機(jī)再制造生命周期評(píng)價(jià)的研究工作已有很多，本文直接引用相關(guān)研究結(jié)果作為部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。劉志超[16]利用E-Balance軟件對(duì)WD615.87型柴油機(jī)的再制造與原始制造進(jìn)行生命周期分析，對(duì)比了柴油機(jī)部分生命周期內(nèi)的能量消耗及污染物排放情況，相關(guān)清單數(shù)據(jù)源于中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(Chinese life cycle database, CLCD)，原型再制造在原材料獲取、坯料生產(chǎn)和零件生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的環(huán)境效益見表3。結(jié)合使用階段的行駛里程(39.75萬公里[17])和柴油機(jī)排放因子可以計(jì)算出不同排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)在使用階段的排放污染物總量，以及它們之間的排放差異性，見表4。

表3 原型再制造WD615.87型柴油機(jī)排放的氣態(tài)污染物量

表4 國Ⅱ～國Ⅴ柴油機(jī)在使用階段的排放污染物總量

從全生命周期來看(再制造柴油機(jī)行駛里程39.75萬公里)：再制造國Ⅱ WD615. 87型柴油機(jī)并沒有減少污染物的排放；再制造國Ⅲ WD615. 93E型柴油機(jī)也沒有減少污染物的排放；再制造國ⅣD10.29-40型柴油機(jī)在原材料獲取、坯料生產(chǎn)和零件生產(chǎn)階段減少污染物排放量方面可以獲得良好的效益，只有NOx的排放量增加了834.75 kg。

LCEA分析結(jié)果表明，當(dāng)國Ⅱ和國Ⅲ原型再制造柴油機(jī)服役里程超過一定值后，其再制造環(huán)境效益反而變差，而國Ⅳ和國Ⅴ柴油機(jī)進(jìn)行原型再制造后才可以獲得理想的環(huán)境效益。由此，對(duì)于國Ⅱ和國Ⅲ柴油機(jī)，不能按照“再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能達(dá)到原型新品要求”的原則進(jìn)行再制造，而應(yīng)采取替代燃料、動(dòng)力優(yōu)化匹配、優(yōu)化后處理等清潔性升級(jí)再制造策略。這種策略雖然降低了再制造過程中的零部件再利用率，但通過使用階段的污染物減排和能效提升，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的環(huán)境效益目標(biāo)[18]。

生命周期評(píng)價(jià)可以為再制造策略的制定提供科學(xué)依據(jù)。針對(duì)能耗和排放主要發(fā)生在使用階段的再制造產(chǎn)品，其再制造策略應(yīng)遵循“再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能達(dá)到現(xiàn)行新品要求”的原則。

3.2 汽車報(bào)廢量預(yù)測

對(duì)未來汽車報(bào)廢量變化趨勢的準(zhǔn)確預(yù)測是目前廣為關(guān)注的問題，HAN等[18]把私家車以消費(fèi)口對(duì)待，通過對(duì)費(fèi)用進(jìn)行線性擬合預(yù)測了中國私家車的保有量；DARGAY等[19]使用非線性模型將汽車保有量與GDP聯(lián)系起來。2012～2016年上海市民用汽車報(bào)廢回收的統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 上海市2012～2016年汽車報(bào)廢量的分類統(tǒng)計(jì)

不同使用性質(zhì)的汽車具有不同的使用周期、使用頻率以及最大使用壽命，這使得不同類型汽車的報(bào)廢規(guī)律不一樣。為研究汽車報(bào)廢規(guī)律，以上海市在用車輛為樣本，建立汽車使用壽命的概率分布模型。圖4分別為乘用車和商用車使用壽命的Logistics概率分布函數(shù)。

利用各類汽車的使用壽命概率分布函數(shù)，結(jié)合全國汽車銷售量的走勢和增長率，可以預(yù)測我國未來的汽車報(bào)廢趨勢，如圖5所示，商用車報(bào)廢量的增長速度已減緩并逐漸穩(wěn)定，而乘用車的報(bào)廢量還處于快速增長階段?？傮w上來看，中國汽車報(bào)廢量在未來10年是穩(wěn)定增長的趨勢。表6是我國汽車報(bào)廢量的具體預(yù)測數(shù)據(jù)。

目前，由于“準(zhǔn)報(bào)廢汽車”低廉的回收價(jià)格和監(jiān)管力度不足，報(bào)廢車以“假轉(zhuǎn)籍”、“假過戶”等形式大量流入黑市。除了幾個(gè)報(bào)廢汽車回收管理較完善的城市(如北京、上海等)外，大部分城市的報(bào)廢汽車回收率一直在低位徘徊。如何提高報(bào)廢汽車回收率是完善中國報(bào)廢汽車回收利用產(chǎn)業(yè)格局必須解決的現(xiàn)實(shí)問題。

3.3 報(bào)廢汽車的拆解策略與拆解規(guī)劃

在全球報(bào)廢汽車總量達(dá)6 000萬的大背景下，世界各國關(guān)于環(huán)境法規(guī)的要求越來越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的以單純追求利潤為目的和以環(huán)境污染為代價(jià)的舊拆解模式和工藝已不再適應(yīng)世界經(jīng)濟(jì)和形勢的發(fā)展，取而代之的將是綜合考慮企業(yè)盈利和環(huán)境影響的新型生態(tài)拆解和回收利用模式。如何構(gòu)建考慮成本、利潤和環(huán)境影響的拆解決策模型，基于市場需求和車況規(guī)劃當(dāng)前條件下的最佳拆解深度，是報(bào)廢汽車拆解策略研究的根本問題。目前課題組的研究工作聚焦在如下方面：

(a)乘用車

(b)商用車圖4 上海市在用車輛使用壽命的概率分布函數(shù)Fig.4 Probability distribution of service life of in use vehicles in Shanghai

圖5 中國未來汽車報(bào)廢量的走勢Fig.5 The trend of ELV volume in China in the future

表6 我國汽車報(bào)廢量預(yù)測

(1)考慮中國報(bào)廢汽車爆發(fā)性增長的現(xiàn)實(shí)和相關(guān)法規(guī)對(duì)拆解時(shí)限的要求，以及企業(yè)貯存場地的限制，除了利潤和環(huán)境影響外，企業(yè)當(dāng)下最關(guān)注的還是產(chǎn)能問題。結(jié)合手工、半自動(dòng)化或自動(dòng)化工具/工裝的節(jié)拍式拆解生產(chǎn)線是應(yīng)對(duì)拆解產(chǎn)能問題的有效解決方法[20-21]。

(2)針對(duì)不同車型的不同結(jié)構(gòu)零部件及其不同位置和數(shù)量的緊固件形式和配置，涉及較大柔性的半破壞性或非破壞性拆解工作目前仍主要依靠手工來完成，在此情況下，提高拆解效率是需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)問題,課題組通過拆解試驗(yàn)可為次序優(yōu)化提供必要的量化數(shù)據(jù)[22]。

(3)將安全氣囊等危險(xiǎn)零部件作為環(huán)保預(yù)處理中的拆解內(nèi)容，含有重金屬等有害物質(zhì)和稀貴金屬的零部件作為必拆解零部件且須進(jìn)行明確分類和貯存，這些是拆解優(yōu)化的前提。規(guī)劃合理的拆解深度，優(yōu)化拆解次序，對(duì)市場熱銷車型設(shè)計(jì)專用的拆解工裝是提高拆解效率的根本途徑。

報(bào)廢汽車在回收時(shí)，拆解商所收集車輛的型號(hào)、數(shù)量、在役時(shí)間、服役歷程等都是不確定的，因此，在不確定性條件下對(duì)報(bào)廢汽車的拆解工藝進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，有必要對(duì)相同或近似的車輛進(jìn)行聚類并集中拆解，從而有效降低對(duì)象不確定造成的拆解困難。

(1)車輛評(píng)估是拆解前的首要工作。根據(jù)再利用零配件的市場銷售情況來確定報(bào)廢車輛采用選擇性拆解或部分拆解。原則上，對(duì)于老舊車型常使用選擇性拆解策略；對(duì)于熱銷車型往往采用一定拆解深度的部分拆解策略。

(2)拆解規(guī)劃時(shí)需綜合考慮拆解策略、工藝可行性、成本收益、環(huán)境影響等多個(gè)維度，多目標(biāo)的決策問題使常規(guī)求解方法變得困難。在對(duì)所有可行拆解路徑進(jìn)行規(guī)劃的基礎(chǔ)上，建立包括拆解策略、可行性、成本收益、環(huán)境影響的最優(yōu)化模型，借助非監(jiān)督式智能學(xué)習(xí)算法確定報(bào)廢汽車在最大收益和最小環(huán)境影響約束條件下的最佳拆解深度和拆解序列。

上述拆解策略和拆解規(guī)劃均受到零配件市場銷售價(jià)格的影響。零配件銷售渠道的不暢和銷售價(jià)格的差異性是阻礙報(bào)廢汽車拆解企業(yè)通過深度拆解、銷售再利用零部件獲利的重要原因，因此，建立“回收-拆解-銷售-維?！贝怪闭系碾娮由虅?wù)平臺(tái)，是促進(jìn)再利用零部件市場良性發(fā)展的重要途徑。拆解廠商籍此平臺(tái)的價(jià)格發(fā)現(xiàn)機(jī)制(零配件市場需求、保有量、銷售價(jià)格、價(jià)格走勢)，對(duì)報(bào)廢汽車進(jìn)行最優(yōu)化的拆解規(guī)劃；銷售維保部門借助大數(shù)據(jù)挖掘功能(基于用戶需求信息在機(jī)器智能學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的自動(dòng)推演，為終端非專業(yè)用戶推薦再利用零配件的匹配信息)，簡化溝通過程、撮合交易、提高服務(wù)效率。

理想的拆解決策建立在價(jià)格發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，見圖6。

圖6 不確定條件下基于價(jià)格發(fā)現(xiàn)的報(bào)廢汽車拆解決策Fig.6 Dismantling decision of discarded vehicle based on price discovery under uncertainty

3.4 動(dòng)力電池的梯次利用

車用鋰離子動(dòng)力蓄電池的形式是電池組(包)，由數(shù)量眾多的單體鋰離子電池、外殼、電池管理系統(tǒng)等組成。鋰離子動(dòng)力蓄電池的金屬或非金屬外殼以及極柱等部件回收過程較為簡單，具有較好的回收經(jīng)濟(jì)性；在單體電池中，鋰離子電池正極材料中含有鈷、鎳、銅、錳等金屬，如不進(jìn)行有效處理，會(huì)污染土壤和水，并最終危害人類的健康，而鈷、鎳等金屬的回收價(jià)值較高，回收利用的經(jīng)濟(jì)效益顯著；鋰離子電池電解液中部分有機(jī)溶劑(如DME和DMC)具有較低的閃點(diǎn)，處理不當(dāng)會(huì)引起燃燒；鋰電池中作為電解質(zhì)的六氟磷酸鋰具有極強(qiáng)的腐蝕性，而且遇水會(huì)發(fā)生分解產(chǎn)生氟化氫氣體，對(duì)環(huán)境和人體造成極大危害。由此，鋰離子動(dòng)力蓄電池的回收利用具有重要的意義[23]。

鋰離子電池正極材料再利用工藝的商業(yè)化動(dòng)力來源于對(duì)鈷、鎳等金屬的回收。磷酸鐵鋰電池由于不含稀貴金屬元素，其材料再利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值影響鋰離子動(dòng)力蓄電池回收利用的經(jīng)濟(jì)性。由此，退役磷酸鐵鋰電池可通過作為固定式/移動(dòng)式儲(chǔ)能裝置進(jìn)行梯級(jí)利用，使其生命周期擴(kuò)展至電力、可再生能源等多個(gè)領(lǐng)域。通過退役車用三元鋰離子動(dòng)力蓄電池的梯級(jí)利用構(gòu)建儲(chǔ)能設(shè)施，可以大幅降低儲(chǔ)能成本。梯次利用將是退役動(dòng)力電池回收處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

(1)退役動(dòng)力電池的健康狀態(tài)評(píng)估方法和壽命預(yù)測研究。通過研究分析放電法、內(nèi)阻法和高階極化模型法等評(píng)估方法，制定適用于多型號(hào)、多狀態(tài)的退役動(dòng)力電池健康狀態(tài)的評(píng)估方法。研究退役動(dòng)力電池在不同梯次利用情況下的衰減趨勢，分析電池衰減的影響因素(溫度、放電電流、充放電深度、電壓變化曲線等)，提取表征動(dòng)力電池衰退的特征參量，綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘方法，建立基于生命周期運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控的動(dòng)力電池梯次利用剩余壽命預(yù)測模型和算法。

(2)梯次動(dòng)力電池生命周期管理信息系統(tǒng)研究?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，依據(jù)5R(減量化、再利用、再制造、再循環(huán)、資源化)模式，建立退役動(dòng)力電池梯次利用生命周期管理信息系統(tǒng)。分別從動(dòng)力電池信息產(chǎn)生、信息流獲取和傳輸、信息存儲(chǔ)和處理(管理層)三個(gè)層次，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)動(dòng)力電池在收集、流通、儲(chǔ)存以及梯次利用和再退役等環(huán)節(jié)的追蹤和監(jiān)控，提高梯次利用動(dòng)力電池生命周期管理水平。

(3)梯次動(dòng)力電池的再退役與逆向物流相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究?；谏芷谒枷耄罁?jù)5R模式建立退役動(dòng)力電池的收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等逆向物流標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，解決退役動(dòng)力電池在逆向物流各個(gè)環(huán)節(jié)的安全處理和信息收集的問題。在綜合考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)中梯次利用電池性能參數(shù)衰減情況的基礎(chǔ)上，制定梯次利用電池再退役鑒定標(biāo)準(zhǔn)和報(bào)廢處理規(guī)范，合理規(guī)劃再退役動(dòng)力電池的流向和處置方式。

3.5 共軌噴油器再制造

我國共軌噴油器市場長期被國外品牌壟斷，在設(shè)計(jì)、檢測、裝配等核心技術(shù)方面存在技術(shù)壁壘，國產(chǎn)品牌共軌噴油器產(chǎn)品仍無法滿足汽車生產(chǎn)企業(yè)的要求，其再制造難度相對(duì)較大，但其再制造市場潛力很大。

國外品牌共軌噴油器生產(chǎn)商的再制造工藝路線是以新件更換關(guān)鍵零組件的方式為主進(jìn)行的。課題組提出了一條符合我國實(shí)際情況的共軌噴油器再制造技術(shù)工藝路線。

圖7 共軌噴油器仿真模型Fig.7 A simulation model of common rail injector

首先將退役共軌噴油器進(jìn)行徹底拆解、清潔、測量，確定各零組件的可再利用性，在裝配時(shí)，各零組件根據(jù)其實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行匹配安裝。由于缺乏原型產(chǎn)品的核心技術(shù)資料，可再利用零組件的結(jié)構(gòu)尺寸變化極限和配裝參數(shù)匹配原則并不清晰，若隨機(jī)匹配安裝，會(huì)造成裝配一次成功率低、生產(chǎn)效率低及人工成本浪費(fèi)，因此，建立了基于AMESim的共軌噴油器性能仿真模型(圖7)，對(duì)7個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行單一結(jié)構(gòu)參數(shù)及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的敏感性分析，仿真計(jì)算出可再利用零組件的結(jié)構(gòu)尺寸變化極限以及配裝參數(shù)的匹配關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過仿真分析同一零組件上的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴油性能的影響，建立共軌噴油器再制造的零組件配裝參數(shù)匹配原則，通過對(duì)各零組件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分級(jí)，使不同級(jí)別的零組件通過匹配獲得一致的噴油量控制效果，既能滿足再制造共軌噴油器的性能要求，又能提高零組件的再利用率和再制造產(chǎn)品的一次裝配合格率，各匹配關(guān)系見表7～表9。表中，符合灰色區(qū)域的參數(shù)匹配即能滿足共軌噴油器的性能要求。

表7 進(jìn)油節(jié)流孔直徑-回油節(jié)流孔直徑匹配關(guān)系表

3.6 汽車破碎殘余物的能量回收利用

報(bào)廢汽車經(jīng)過拆解，回收發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等零部件后，對(duì)余下部分進(jìn)行壓縮、破碎、分選處理，回收其中的金屬和非金屬材料，剩余細(xì)碎的難回收部分，稱為汽車破碎殘余物(ASR)，一般占整車質(zhì)量的15%～25%，通常作為垃圾直接進(jìn)行填埋或焚燒。一般來說，ASR主要包括金屬、塑料、橡膠、樹脂、纖維、玻璃、紙、泡棉和電線等。隨著汽車輕量化、智能化、電動(dòng)化和各種新材料的廣泛使用，ASR中塑料、橡膠等有機(jī)物比例進(jìn)一步增加，因此解決ASR的回收處理問題關(guān)鍵在于塑料和橡膠。填埋空間不足、填埋成本不斷增加，ASR機(jī)械回收和化學(xué)回收等方法對(duì)技術(shù)和設(shè)備要求高、經(jīng)濟(jì)效益差，而ASR燃燒值高(15～30 MJ/kg),具有很大的能量回收潛力，因此熱裂解和氣化等熱回收技術(shù)逐漸成為ASR回收處置的主要手段[24]。

表8 進(jìn)油節(jié)流孔直徑-銜鐵升程匹配關(guān)系表

表9 針閥升程-噴孔直徑匹配關(guān)系表

ASR熱裂解和氣化熱處理方法是兼具低污染、低排放和顯著經(jīng)濟(jì)性的高附加值資源化和能源化技術(shù)手段，是未來我國回收ASR的最佳選擇。ASR熱裂解和氣化的氣體產(chǎn)物主要包括H2、CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6等可燃性氣體，可作為二次能源回收利用；液體產(chǎn)物則為焦油，可經(jīng)過精煉提純作為工業(yè)原料，也可作為燃料使用；固體產(chǎn)物包括炭黑、金屬、灰分等，一般作為建筑材料的填充料或填埋處理。目前，我國對(duì)ASR熱裂解和氣化的基礎(chǔ)研究工作還相對(duì)較少[25-27]。課題組以實(shí)現(xiàn)ASR的低排放、高附加值資源化和能源化為目標(biāo)，開展了ASR熱裂解和催化氣化機(jī)理及其能源化回收利用方面的研究工作。

ASR的成分和含量決定了其基本物理和化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而在很大程度上影響其熱裂解和氣化處理的結(jié)果。ASR的元素組成、揮發(fā)分和灰分含量、熱重特性以及催化劑對(duì)氣、液、固體等三類產(chǎn)物的組成成分和產(chǎn)率起著關(guān)鍵影響。通過文獻(xiàn)研究，實(shí)地調(diào)查和一系列金屬元素分析、非金屬元素分析、工業(yè)分析、燃燒熱分析手段，分析了ASR的典型組成和理化特性，如表10、表11所示。

表10 不同年份和國家的汽車破碎殘余物組成成分對(duì)比

表11 我國ASR樣品工業(yè)分析與元素分析結(jié)果

利用熱分析動(dòng)力學(xué)方法可以確定，在熱裂解和氣化過程中物質(zhì)的理化性質(zhì)與溫度之間的關(guān)系。基于熱重分析的ASR及其主要組成成分的熱裂解動(dòng)力學(xué)研究表明，ASR的熱裂解主要發(fā)生在400 ℃～700 ℃之間。不同燃空比和溫度條件下的ASR熱裂解/氣化試驗(yàn)表明，反應(yīng)溫度為900 ℃、燃空比為1.5 mol/kg時(shí)，每千克ASR熱裂解和氣化產(chǎn)生的可燃性氣體產(chǎn)物熱能最高，為11.28 MJ；而反應(yīng)后的固體殘余物經(jīng)折算僅占報(bào)廢汽車質(zhì)量的4.5%～5.6%，表明通過ASR的熱裂解和氣化處理，最終實(shí)現(xiàn)我國報(bào)廢汽車95%的回收利用率是可行的。

針對(duì)ASR熱裂解和氣化反應(yīng)不充分、可燃性氣體產(chǎn)物熱值低等問題，進(jìn)一步開展了裂解合成氣的催化氣化制氫研究。通過制備ASR氣化反應(yīng)催化劑，研究不同的水蒸汽/氧/碳比、催化劑、停留時(shí)間等反應(yīng)參數(shù)下，催化氣化合成氣產(chǎn)物的組成和轉(zhuǎn)化率，并優(yōu)化提高氫氣產(chǎn)率的催化氣化過程參數(shù)，進(jìn)而提升產(chǎn)氣熱值。

鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、多氯聯(lián)苯(PCBs)、多溴聯(lián)苯(PBB)、多溴聯(lián)苯醚(PBDE)等環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)在車用材料中廣泛存在。ASR中的重金屬等環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)在熱裂解和氣化處理過程中基本都?xì)埩粼诠腆w殘余物中。針對(duì)固體殘余物中銅、鋅、鉛、鉻、鎘、汞等重金屬，開展了浸出毒性分析和磷酸二氫鈉、乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙基二硫代氨基甲酸鈉(SDD)等固化劑對(duì)重金屬固定效果的研究，結(jié)果表明，熱裂解和氣化固體殘余物經(jīng)重金屬固定處理后有望作為建筑材料的原料進(jìn)行再利用，為最終實(shí)現(xiàn)我國報(bào)廢汽車的“零廢棄物排放”提供參考。下一步的研究工作，將通過分析催化氣化全過程液體產(chǎn)物中氯、溴等元素的化合物結(jié)構(gòu)信息，探討多氯聯(lián)苯(PCBs)、多溴聯(lián)苯(PBB)、多溴聯(lián)苯醚(PBDE)以及其他可能的環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)的轉(zhuǎn)化消除機(jī)制。

通過開展ASR熱裂解/催化氣化機(jī)理及其能源化回收利用方面的研究，為實(shí)現(xiàn)ASR能源化技術(shù)的開發(fā)提供了基礎(chǔ)理論和方法支持，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)ASR 催化氣化固體殘余物的低排放、資源化處理，這有助于提高汽車報(bào)廢環(huán)節(jié)中的材料效率，進(jìn)而保證我國報(bào)廢汽車95%的回收利用率目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)材料效率的執(zhí)行主體為企業(yè)，在其所有社會(huì)責(zé)任中，經(jīng)濟(jì)責(zé)任最為重要，因此，材料效率不僅應(yīng)考慮環(huán)境性，還應(yīng)將經(jīng)濟(jì)性納入其中。本文提出了材料效率的新定義，即“通過提高再使用、再利用、回收利用的經(jīng)濟(jì)效益并降低其排放強(qiáng)度，在減少材料生產(chǎn)和加工的同時(shí)提供相同的材料服務(wù)”。企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新，提高再使用/再制造產(chǎn)品、再生材料的產(chǎn)值和利潤，促進(jìn)汽車產(chǎn)品回收利用率的提高，同時(shí)，相應(yīng)降低材料再利用或能量回收利用過程中的排放強(qiáng)度，這也是企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。

(2)目前我國的報(bào)廢汽車每年能直接提供近千萬噸的材料。值得注意的是，這些材料大多以發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等高附加值零部件的形式存在，而非單純的原材料，合理處理報(bào)廢汽車能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。上海交通大學(xué)可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造課題組在柴油機(jī)生命周期排放評(píng)價(jià)、報(bào)廢汽車的拆解策略與拆解規(guī)劃、動(dòng)力電池的梯次利用、共軌噴油器再制造、汽車破碎殘余物的能量回收利用等方面開展的前沿研究，進(jìn)一步闡明了汽車產(chǎn)品回收處理關(guān)鍵技術(shù)對(duì)提高材料效率的意義。

(3)以上海交通大學(xué)可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造課題組的研究為實(shí)例，探討了面向材料效率的汽車產(chǎn)品回收利用過程中的關(guān)鍵問題，為我國汽車產(chǎn)品回收利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供借鑒。