梅 瀟 鐳， 李 濤， 張 洪 潮

( 大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

汽車作為現(xiàn)代人類的交通工具，既給人類帶來了方便，同時也給環(huán)境帶來了污染．中國一直是全球汽車市場發(fā)展的重要引擎，根據(jù)中華人民共和國公安部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]，到2018年底，中國的汽車保有量達(dá)到2.4億輛，與2017年相比增加了2 285萬輛，增長率為10.51%．根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)[2]，2018年汽車產(chǎn)銷量分別為2 780.9 萬輛和2 808.1萬輛，中國的汽車工業(yè)仍處于普及期，并且有增長的空間．中國投資咨詢行業(yè)研究中心預(yù)測[3]，2018年到2022年，中國汽車報廢量的年均復(fù)合增長率將約為28.09%，并將于2022年達(dá)到2 450萬輛．伴隨著汽車保有量的持續(xù)增長，每年報廢汽車也占有相當(dāng)數(shù)量．報廢汽車零部件直接回爐重?zé)?，造成了資源、能源二次消耗，資金二次投入和環(huán)境二次污染．再制造是面向全生命周期綠色制造的發(fā)展和延伸，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和實現(xiàn)資源高效利用的重要手段[4]．作為循環(huán)經(jīng)濟再利用的高級形式，再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打通了資源-產(chǎn)品-報廢-再制造產(chǎn)品的循環(huán)型產(chǎn)業(yè)鏈條，構(gòu)筑了節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)的工業(yè)綠色發(fā)展模式，為工業(yè)綠色化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[5]．內(nèi)燃機再制造是內(nèi)燃機行業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展方向，而內(nèi)燃機產(chǎn)量和保有量快速增長為推進(jìn)內(nèi)燃機再制造提供了基礎(chǔ)和條件．2017年10月31日，工業(yè)和信息化部印發(fā)《高端智能再制造行動計劃(2018-2020年)》的通知指出，我國已初步形成了“以尺寸恢復(fù)和性能提升”為主要技術(shù)特征的中國特色再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式．

再制造被公認(rèn)為節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保，許多學(xué)者進(jìn)行了論證．楊明等[6]最早運用生命周期評價(life cycle assessment，LCA)方法，評估上海大眾桑塔納某型號再制造發(fā)動機的生命周期指標(biāo)，從能源、原材料和環(huán)境3方面評價發(fā)動機再制造工程，結(jié)果表明：同制造一臺新發(fā)動機相比，再制造一臺發(fā)動機可以節(jié)省58.2 kg的鋼材、16 kg的鋁材，節(jié)約113 kWh的電能，減少565 kg的CO2排放、6.09 kg的CO排放、1.01 kg的NOx排放、3.985 kg的SO2排放，同時可以減少288.725 kg的固體廢棄物排放．王濤[7]以斯太爾615.67型發(fā)動機再制造為實例，運用全生命周期理論，比較新機制造和再制造的能耗、排放和成本差異，結(jié)果表明發(fā)動機再制造具有巨大的能源、環(huán)境和經(jīng)濟優(yōu)勢．劉志超[8]運用LCA對重汽WD615.87發(fā)動機的原始制造和再制造過程進(jìn)行了比較，發(fā)動機再制造過程：初級能源消耗減少75.28%，全球變暖潛值減少71.32%，酸化潛值減少33.61%，水體富營養(yǎng)化潛值減少64.11%，臭氧層破壞潛值減少56.79%，光化學(xué)煙霧潛值減少18.28%．劉振[9]運用LCA對4種輕型載貨汽車發(fā)動機的使用階段進(jìn)行了評價和比較．孫鋅等[10]對某企業(yè)生產(chǎn)的汽油發(fā)動機進(jìn)行了全周期評價，發(fā)現(xiàn)使用階段對環(huán)境的影響最大，其使用階段的排放數(shù)據(jù)按汽車排放標(biāo)準(zhǔn)計算．Shi等[11]運用LCA對再制造天然氣發(fā)動機和再制造柴油機進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)：雖然把廢舊柴油機改造為天然氣發(fā)動機會耗費更多能源，但是使用階段其有更大的節(jié)能減排效益，最后的綜合效益要大于再制造柴油機．

大量的生命周期評價研究關(guān)注廢舊發(fā)動機的再制造過程帶來的環(huán)境效益，忽略了其使用階段的實際影響，而問題在于發(fā)動機使用階段對環(huán)境影響更大．另一個問題是，隨著汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的變化，發(fā)動機的生產(chǎn)和使用將有所不同．修復(fù)性再制造的目標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)升級之前的階段，但再制造發(fā)動機通常在標(biāo)準(zhǔn)升級后使用．通過對再制造發(fā)動機的生命周期評價，本文系統(tǒng)地研究排放標(biāo)準(zhǔn)對再制造發(fā)動機環(huán)境效益的影響，并分析跨標(biāo)準(zhǔn)階段使用情景下的環(huán)境影響增量．以問題為導(dǎo)向，提出兩種解決方案，并分析各自的標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性及優(yōu)缺點，旨在為相關(guān)決策者提供參考，推動再制造發(fā)動機產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)快速、健康和可持續(xù)發(fā)展．

1 方法、材料及數(shù)據(jù)庫

LCIA的過程有如下幾步：

(1)指標(biāo)選擇．根據(jù)課題的研究目標(biāo)，選擇出合適的環(huán)境影響指標(biāo)．例如，酸化、臭氧層破壞等．

(2)分類．將清單分析數(shù)據(jù)劃分為不同的環(huán)境影響類型．例如，空氣排放中的CO2會對全球氣候變暖產(chǎn)生影響，要把它劃分給GWP．

(3)特征化．將每一個影響類別中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和匯總為統(tǒng)一的單元．LCI數(shù)據(jù)特征化是利用特征化因子來計算環(huán)境影響潛值，產(chǎn)品環(huán)境影響潛值是指整個產(chǎn)品系統(tǒng)中所有環(huán)境排放或資源消耗影響的總和，計算方法如下：

Em=∑Em,i=∑(Wi×Cm,i)

(1)

式中：Em為第m種環(huán)境影響類型的環(huán)境潛值大??；Em,i為第i種物質(zhì)的排放量或消耗量對第m種環(huán)境影響類型的影響潛值；Wi為第i種物質(zhì)的排放量或消耗量；Cm,i為第i種物質(zhì)對第m種潛在環(huán)境影響類型的特征化因子．

(4)歸一化．歸一化也叫標(biāo)準(zhǔn)化，其目的是對各種環(huán)境影響類型的相對大小提供一個可以相互比較的標(biāo)準(zhǔn)，從而比較各種環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)大?。捎脴?biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量(每人每年平均環(huán)境影響潛值)作為標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)，計算方法如下：

(2)

(3)

式中：y為基準(zhǔn)年；Rm,y為在基準(zhǔn)年指定區(qū)域的第m種環(huán)境影響的人均環(huán)境影響潛值，即歸一化基準(zhǔn)；Em,y為在基準(zhǔn)年指定區(qū)域的第m種環(huán)境影響的總環(huán)境影響潛值；Py為在基準(zhǔn)年指定區(qū)域的總?cè)丝?；Nm為第m種環(huán)境影響潛值的歸一化結(jié)果．

Guinée[15]對大量環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類計算，并給出了常見環(huán)境影響類別的特征化因子．根據(jù)Huijbregts等[16]在1995年的全球范圍環(huán)境影響指標(biāo)的歸一化數(shù)據(jù)，當(dāng)時的中國人口約為12.121億，計算了1995年中國人均環(huán)境影響的潛值．表1列出了特征化因子和歸一化參考值．

表1 特征化因子、歸一化參考值和相對權(quán)重

(5)權(quán)重．對于選定的環(huán)境影響指標(biāo)，找到對應(yīng)的量值以表征其環(huán)境影響的重要程度．田亞崢等[17]運用層次分析法確定了各環(huán)境影響指標(biāo)的相對權(quán)重，見表1．

(6)綜合環(huán)境影響．對于多種環(huán)境影響類別，根據(jù)賦予權(quán)重的大小，計算出一個包含各類別環(huán)境影響的綜合結(jié)果．計算方法如下：

E=∑(Nm×Qm)

(4)

式中：Qm為第m種環(huán)境影響潛值的權(quán)重；E為綜合環(huán)境影響指標(biāo)．

2 再制造原型機分析

2.1 清單分析

再制造原型機是指經(jīng)過再制造后跟原型號新機相同的再制造發(fā)動機．研究對象功能單元為一臺國Ⅱ排放的再制造重型柴油發(fā)動機．研究的系統(tǒng)邊界包括再制造過程的物質(zhì)流、能流以及各階段產(chǎn)生的污染物排放，其系統(tǒng)邊界如圖1所示．

圖1 再制造發(fā)動機系統(tǒng)邊界

重型卡車(搭載重型柴油機)在不同使用階段排放不同，其中計算柴油機運行的污染物排放因子來自文獻(xiàn)[18]．為簡化LCA模型，做出如下假設(shè)：再制造發(fā)動機可行駛距離250 000 km；柴油消耗量30 L/100 km，柴油密度為0.84 kg/L，計算可得總油耗為75 000 L，即63 000 kg．再制造原型機的回收、再制造、裝配和不同排放標(biāo)準(zhǔn)情況下使用的排放數(shù)據(jù)見表2、3．

表2 再制造原型機清單數(shù)據(jù)

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)階段發(fā)動機使用的清單分析

2.2 環(huán)境影響分析

在對再制造發(fā)動機進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集、整理和清單分析之后，得到原型機再制造過程的特征化和歸一化結(jié)果，見表4．根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求，得到了不同標(biāo)準(zhǔn)階段再制造發(fā)動機使用的環(huán)境影響，見表5．

表4 原型機再制造的特征化和歸一化結(jié)果

從表5看到，PED和ODP的影響并沒有改變，主要原因是油耗沒有改變以及各標(biāo)準(zhǔn)階段未對CFC有所限制．除POCP外，GWP、AP、EP、HTP都呈現(xiàn)出持續(xù)下降趨勢，本質(zhì)原因是隨著標(biāo)準(zhǔn)升級，各種污染物排放減少；而POCP在國Ⅲ階段先上升，后續(xù)也呈現(xiàn)出持續(xù)下降趨勢，與當(dāng)時的標(biāo)準(zhǔn)限制有關(guān)．

表5 不同標(biāo)準(zhǔn)階段使用的再制造發(fā)動機特征化和歸一化結(jié)果

2.3 標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析

再制造原型機的標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性與其使用階段密切相關(guān)．根據(jù)表5數(shù)據(jù)結(jié)果分析跨標(biāo)準(zhǔn)階段使用的再制造發(fā)動機環(huán)境損傷，見表6．通過環(huán)境數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：跨標(biāo)準(zhǔn)使用的再制造發(fā)動機有明顯的環(huán)境影響增加，并且跨標(biāo)準(zhǔn)越多，環(huán)境損傷也越大，導(dǎo)致其很難適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)升級的變化．國家出臺一系列排放標(biāo)準(zhǔn)，目的是為了保護(hù)環(huán)境，如果再制造發(fā)動機不能適應(yīng)新的標(biāo)準(zhǔn)，甚至跨標(biāo)準(zhǔn)使用的環(huán)境損傷超過了其再制造帶來的環(huán)境效益，那么再制造發(fā)動機的實際環(huán)境價值就要大打折扣．

表6 跨標(biāo)準(zhǔn)使用再制造發(fā)動機環(huán)境影響增量

3 升級再制造發(fā)動機分析

針對再制造原型機跨標(biāo)準(zhǔn)使用增加了環(huán)境影響并且難以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的變化，有必要尋求新的方法來讓再制造發(fā)動機滿足標(biāo)準(zhǔn)并帶來環(huán)境減排效益．升級再制造，就是通過修復(fù)、替換、結(jié)構(gòu)改造、性能優(yōu)化等一系列方法，實現(xiàn)舊型號產(chǎn)品的性能和功能提升，以達(dá)到當(dāng)前市場新型號產(chǎn)品的質(zhì)量，從而更好地延長壽命并滿足使用要求．目前，廢舊柴油機升級再制造主要有兩種：結(jié)構(gòu)改進(jìn)型和加裝改進(jìn)型．

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造

唐祥龍[19]對油改氣再制造以及裝配質(zhì)量控制進(jìn)行了研究．研究對象功能單元為一臺結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造天然氣發(fā)動機．全面的評價過程包括回收、再制造和使用，其系統(tǒng)邊界如圖2所示．為了對比再制造原型機的環(huán)境影響，假設(shè)再制造天然氣發(fā)動機行駛250 000 km，天然氣消耗量35 m3/100 km，液化天然氣密度為0.716 kg/m3，計算得總?cè)細(xì)庀臑?7 500 m3，即62 650 kg．使用期間，其排放數(shù)據(jù)為：CO 2.5 kg，CO2300 000 kg，NOx158 kg，CH40.35 kg，NH30.75 kg．結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造天然氣發(fā)動機的清單數(shù)據(jù)見表7．

圖2 再制造天然氣發(fā)動機系統(tǒng)邊界

表7 再制造天然氣發(fā)動機清單數(shù)據(jù)

對結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造發(fā)動機的回收、再制造、裝配和使用過程數(shù)據(jù)收集、整理和計算后，進(jìn)行了清單數(shù)據(jù)特征化和歸一化處理，見表8．對于再制造天然氣發(fā)動機，使用階段的各類環(huán)境影響指標(biāo)均最大，遠(yuǎn)高于其他3個階段，原因是天然氣消耗量大導(dǎo)致排放較多；在回收階段，ODP是最小的環(huán)境影響類別，主要原因是回收運輸過程產(chǎn)生微量CFC；再制造階段和裝配階段的環(huán)境影響相差不大，再制造階段略高于裝配階段．

表8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造發(fā)動機的特征化和歸一化結(jié)果

在對結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造發(fā)動機的環(huán)境影響分析之后，有必要將再制造原型機與油改氣再制造發(fā)動機進(jìn)行比較．圖3是兩種不同類型的再制造發(fā)動機對整個環(huán)境影響的比較．根據(jù)表1的相對權(quán)重，計算得到結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造發(fā)動機和再制造原型機的綜合環(huán)境影響如下．

圖3 再制造原型機與結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造發(fā)動機環(huán)境影響比較

結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造發(fā)動機：

Es=∑(Nm×Qm)=

(138.56×3.72+89.09×12.51+8.00×

3.72+5.48×3.93+0.000 32×9.33+

1.01×2.95+0.006 7×19.20) kg=

1 684.37 kg

再制造原型機：

Eo=∑(Nm×Qm)=

(128.70×3.72+415.62×12.51+

129.35×3.72+117.36×3.93+

0.000 58×9.33+7.87×2.95+

0.12×19.20) kg=

6 646.10 kg

環(huán)境影響對比結(jié)果顯示：從整體上看，結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造發(fā)動機的綜合環(huán)境影響要明顯小于再制造原型機．對于資源消耗指標(biāo)的PED，油改氣再制造發(fā)動機要比再制造原型機高7.66%，說明結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造要耗費更多能源，主要體現(xiàn)在再制造和使用階段；對于其他環(huán)境影響指標(biāo)，油改氣再制造發(fā)動機明顯更小，GWP減少78.56%，AP減少93.82%，EP減少95.33%，ODP減少44.83%，POCP減少87.17%，HTP減少94.42%，也說明了油改氣再制造發(fā)動機更環(huán)保．

3.2 加裝改進(jìn)型再制造

從柴油機升級路線可以看出，后處理技術(shù)的出現(xiàn)有助于發(fā)動機更好地達(dá)到排放限值要求．典型的后處理設(shè)備有柴油氧化催化轉(zhuǎn)化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、柴油機顆粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)和選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器(selective catalytic reduction，SCR)．

功能單元為DOC、DPF和SCR設(shè)備．這3類后處理裝置由重型卡車攜帶，卡車可以正常行駛．經(jīng)過廣泛的數(shù)據(jù)收集和整理之后，表9～11分別列出了DOC、DPF和SCR設(shè)備的清單數(shù)據(jù)．

表9 DOC裝置清單數(shù)據(jù)

表10 DPF裝置清單數(shù)據(jù)

在對這3種后處理裝置進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)清單分析之后，應(yīng)將再制造原型機和后處理裝置進(jìn)行整體分析．根據(jù)國Ⅵ排放限值，計算加裝改進(jìn)型再制造發(fā)動機使用階段的環(huán)境影響，結(jié)果見表12．可以看到，增加尾氣處理裝置會增加資源消耗和環(huán)境影響，但是使用裝置會減小環(huán)境排放從而減小環(huán)境影響．

在對加裝改進(jìn)型再制造發(fā)動機環(huán)境影響分析后，有必要對再制造原型機和加裝改進(jìn)型再制造

表11 SCR裝置清單數(shù)據(jù)

發(fā)動機進(jìn)行全面比較，環(huán)境影響比較如圖4所示．根據(jù)表1的相對權(quán)重，計算得到加裝尾氣裝置的再制造發(fā)動機的綜合環(huán)境影響如下：

Ei=∑(Nm×Qm)=

(135.77×3.72+117.92×12.51+21.17×

3.72+10.95×3.93+5.22×9.33+3.48×

2.95+0.014 5×19.20) kg=2 161.28 kg

綜合環(huán)境影響對比結(jié)果顯示：從整體上看，加裝改進(jìn)型再制造發(fā)動機的綜合環(huán)境影響要明顯小于再制造原型機．在PED上，兩種類型再制造發(fā)動機相差不大，加裝改進(jìn)型要比原型機高5.5%；在ODP上，加裝改進(jìn)型要遠(yuǎn)高于再制造原型機，原因是后處理裝置中的SCR要消耗大量尿素，而尿素的生產(chǎn)就要產(chǎn)生CFC；在其他5類環(huán)境指標(biāo)上，加裝改進(jìn)型再制造發(fā)動機有更小的環(huán)境影響，相比再制造原型機，GWP減少71.63%，AP減少83.63%，EP減少90.67%，POCP減少55.78%，HTP減少87.92%．

表12 加裝改進(jìn)型再制造發(fā)動機的特征化和歸一化結(jié)果

圖4 再制造原型機與加裝改進(jìn)型再制造發(fā)動機環(huán)境影響比較

3.3 標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析

為了彌補發(fā)動機跨標(biāo)準(zhǔn)階段使用的環(huán)境損傷，油改氣作為一種先進(jìn)的方式被研究探索．環(huán)境分析的結(jié)果表明了結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造發(fā)動機雖然能源消耗更多，但環(huán)境優(yōu)勢明顯．這種再制造類型，由于使用階段的燃料清潔性，可以滿足多個標(biāo)準(zhǔn)階段的排放限值要求，可以更好地滿足跨標(biāo)準(zhǔn)使用．需指出的是，這種方式依賴于技術(shù)的不斷改進(jìn)，需要針對每一種發(fā)動機單獨分析、單獨設(shè)計、單獨實施．

加裝改進(jìn)型再制造發(fā)動機是在再制造原型機的基礎(chǔ)上，搭載一系列尾氣處理裝置，從而滿足污染物排放限值的要求．在對環(huán)境分析之后發(fā)現(xiàn)：加裝改進(jìn)型再制造發(fā)動機要消耗更多的資源，并且ODP的環(huán)境損傷更大，其他指標(biāo)顯示出環(huán)境效益．這種再制造類型，由于對末端排放進(jìn)行了控制，可以解決再制造發(fā)動機跨標(biāo)準(zhǔn)使用不滿足排放限值的問題．值得注意的是，使用SCR裝置帶來更大的ODP損傷，也需要不斷研發(fā)新型環(huán)保的尾氣處理裝置．

4 結(jié) 語

作為對循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的探索工程，再制造發(fā)動機既有好處，也存在問題．汽車排放標(biāo)準(zhǔn)對汽車和新發(fā)動機的影響也作用于再制造發(fā)動機．從研究數(shù)據(jù)可以得出：(1)跨標(biāo)準(zhǔn)階段使用的再制造原型機對環(huán)境的影響更大，難以適應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)的變化要求；(2)跨標(biāo)準(zhǔn)階段越多，對環(huán)境的破壞也越大；(3)相比再制造原型機，結(jié)構(gòu)改進(jìn)型再制造發(fā)動機的能源消耗稍高，但綜合環(huán)境影響更小，并且可以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)升級要求；(4)相比再制造原型機，加裝改進(jìn)型再制造發(fā)動機的資源消耗更大，ODP的影響更大，但其他環(huán)境指標(biāo)影響較小，綜合環(huán)境指標(biāo)更小，這種方式可以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)升級要求．

一方面，盡管跨標(biāo)準(zhǔn)使用再制造原型機會造成污染，但至少從替代新發(fā)動機生產(chǎn)的角度來看，它仍將有助于中國的現(xiàn)有狀況．另一方面，科學(xué)研究的步伐不能停止，應(yīng)該探索新的方法來優(yōu)化再制造發(fā)動機的綠色程度．未來，為了更好地實現(xiàn)再制造發(fā)動機的節(jié)能減排效應(yīng)，促進(jìn)再制造發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的快速大規(guī)模發(fā)展，應(yīng)該開發(fā)更簡便的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，開發(fā)更環(huán)保的尾氣處理設(shè)備．產(chǎn)品全生命周期概念應(yīng)被廣泛使用．