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制造过程中的广义碳排放计量方法研究

刘朝晖 张为民 金希 JürgenFleischer 肖忠跃 孙嘉彬

刘朝晖, 张为民, 金希, JürgenFleischer, 肖忠跃, 孙嘉彬. 制造过程中的广义碳排放计量方法研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(4): 544-550. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180219
引用本文: 刘朝晖, 张为民, 金希, JürgenFleischer, 肖忠跃, 孙嘉彬. 制造过程中的广义碳排放计量方法研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(4): 544-550. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180219
Liu Zhaohui, Zhang Weimin, Jin Xi, Jürgen Fleischer, Xiao Zhongyue, Sun Jiabin. Accounting Method of Extended Carbon Emissions in Manufacturing Process[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(4): 544-550. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180219
Citation: Liu Zhaohui, Zhang Weimin, Jin Xi, Jürgen Fleischer, Xiao Zhongyue, Sun Jiabin. Accounting Method of Extended Carbon Emissions in Manufacturing Process[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(4): 544-550. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180219

制造过程中的广义碳排放计量方法研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180219
基金项目: 

科技重大专项项目 2012ZX04005031

科技部中德政府间合作重点专项项目 2017YFE0101400

详细信息
    作者简介:

    刘朝晖(1979-), 博士研究生, 研究方向为机械制造、绿色制造, jgsucad@126.com

    通讯作者:

    张为民, 教授, 博士生导师, iamt@tongji.edu.cn

  • 中图分类号: TG502;X322

Accounting Method of Extended Carbon Emissions in Manufacturing Process

  • 摘要: 本文拟在综合广义火用计量和传统碳排放方法的基础上,构建广义碳排放计量模型,将其应用于制造系统的环境效益评价中,其值由要素消耗量与相应广义排放因子乘积后累加得到。首先,通过人均基本碳排放量、人口总量、年工作时数、工资总量及广义货币M2等,构建模型并求解得到劳动力和资本的广义碳排放因子。其次,基于物料、能源、产品和废弃物等的碳排放因子得到相应广义碳排放因子,实现制造系统全要素的广义碳排放因子建模。最后,通过监测所有要素的消耗量,由消耗量与广义碳排放因子乘积累加得到制造系统的广义碳排放值。板材切割加工工艺案例表明,广义碳排放计量方法实现了对制造要素统一计量,有利于避免对劳动密集型和资本密集型制造业的环境效益最优的误判,可作为可持续制造的判断依据。
  • 图  1  典型机械制造过程要素分析

    图  2  梅花形板件切割加工

    图  3  制造过程要素Ex-CDE占比分析

    表  1  中国的ecLα

    总人口 城镇就业人口 乡村就业人口 Nwh/h CUsed/(kgCO2e) CTotal/(kgCO2e) ecL/(kgCO2e/h) α
    1.375×109 5.042×108 2.703×108 1.284×1012 4.990×1012 1.047×1013 3.887 0.477
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    表  2  2015年中国的ecKβ

    M2/元 S/元 Nwh/h CUsed/(kgCO2e) ecK/(kgCO2e/元) β
    1.3920×1014 1.1201×1013 1.284×1012 4.990×1012 0.446 11.428
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    表  3  机床与加工方案相关信息

    名称 激光加工 线切割 数控铣削
    机床型号 MK-3015F-2000W DK7740B XKA715
    机床厂家 深圳美克 中兴数控机床厂 上海第三机床厂
    机床占地面积 20 m2 3 m2 10 m2
    机床价格 1, 080, 000元 27, 000元 112, 000元
    切削速度 1 000 mm/min 100 mm2/min 60 mm/min(ap=5 mm, S=1 000 r/min)
    切缝 0.2 mm 0.2 mm
    切削时间 0.73 min 73.9 min 11.2 min
    工序总耗时a 2 min 80 min 15 min
    平均功率 8.1 kW 1.0 kW 4.2 kW
    耗材 氧气、透镜、割嘴 钼丝、电解液 2刃Φ16立铣刀、切削液
    环境净化设备b -- -- --
    a按每个工人照看1台机床时; b本文中按每个人照看3台线切割计算。
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    表  4  单件零件制造要素及其计量

    要素 项目 激光加工a 线切割 数控铣削
    L 工时/h 0.033 1.333a, 0.444b 0.250
    K 厂房/元 0.130 1.195 0.538
    机器成本/元 1.716 1.733 1.348
    M 产品性原材料/kg 6.29 6.29 6.29
    耗材/元 0.222 1.332 1.300
    E 电能/kWh 0.094 1.232 0.784
    O 废弃处理 -- -- --
    P 零件产品/kg 3.471 3.471 3.471
    副产品/kg 2.546 2.546 1.693
    Eff 气化或铁屑/kg 0.012 0.012 0.865
    废液排放b/L -- 0.1 0.32
    注:a以批量加工300件为例计算单件时间(加工时间+准备时间), 在激光加工机床上一次加工多块料; 线切割包含打孔时间; 铣床上使用专用夹具定位; b本文中未考虑环境净化设备。
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    表  5  制造过程各要素的碳排放因子

    要素 L K M E P Eff
    类型 ecL ecK 钢材 电能 钢材 铁屑 废液
    单位 kgCO2e/h kgCO2e/元 kgCO2e/kg kgCO2e/kWh kgCO2e/kg kgCO2e/kg kgCO2e/L
    数值 3.887 0.446 2.69 0.70285 2.69 0.361 0.2
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    表  6  各工艺方案碳排放计算结果(kgCO2e)

    方案 L K+M(2) M(1)-P E Eff CDE Ex-CDE
    激光加工 0.128 0.922 0.734 0.066 0.004 0.804 1.854
    线切割 1.726 1.900 0.734 0.866 0.024 1.624 5.250
    数控铣削 0.972 1.421 3.029 0.551 0.376 3.956 6.349
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    表  7  加工方案的成本分析

    方案 L K+M(2) M(1)-P E Eff C
    激光加工 0.66 2.07 1.37 0.10 -- 4.19
    线切割 8.88 4.26 1.37 1.27 -- 15.77
    数控铣削 5.00 3.19 5.63 0.81 -- 14.62
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  • 收稿日期:  2018-06-04
  • 刊出日期:  2019-04-05

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