（机械制造及其自动化专业论文）清洁工艺过程及其关键技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着环境污染的加剧和资源的不断耗竭，绿色产品、环境标志和可持续 发展等问题日益成为人们关注的焦点，为此应运而生的清洁化生产方式也逐 渐被人们所接受，已经成为本世纪的主导生产模式。论文正是在这种背景下， 围绕机械产品制造工艺过程的清洁化等关键技术问题，用系统的观点和方法 展开了理论研究和讨论。论文的研究内容是国家自然科学基金项目“机械制 造企业清洁化生产理论与应用基础研究”( 合同号：5 9 7 7 5 0 8 2 ) 的重要组成部分， 论文的研究成果对机械制造企业实施清洁工艺过程具有非常重要的理论和应 用价值。 主要研究内容有： 在分析当令世界三大热点问题的基础上，阐述了清洁工艺过程产生的 背景及其必然性。对目前清洁工艺过程的国内外研究现状等情况迸行了分析， 并指出了清洁工艺过程研究的发展趋势。 以机械制造企业的制造工艺过程为线索，阐述了清洁工艺过程的内涵， 提出了清洁工艺过程所具有的六个特点和四大属性，在此基础上，建立了清 洁工艺过程的层次结构模型。 对机械制造工艺过程的资源利用、能源消耗、环境污染等环境影响问 题进行了详细的调查研究和分析，指出目前清洁工艺过程存在的主要疾症是 原材料利用率低和它所造成的环境影响问题，对此并提出相应的解决对策。 提出了清洁工艺设计的六大原则，提出了基于“环境屋”原理和“清 洁树”分析的两种清洁工艺设计方法，并给出了清洁工艺设计的过程模型和 应用实例。 提出了清洁工艺过程环境属性、质量特性、经济性和生产率的综合评 价函数，并建立了清洁工艺过程综合评价指标体系，对清洁工艺过程综合评 价的具体决策技术的进行了研究，提出了层次分析法、模糊综合评价、过程 逼近法和价值分析等四种具体、实用的清洁工艺过程综合评价方法并提供了 实例。 对机械制造企业目前普遍采取的末端治理方式及其经济性进行了分 析，在此基础上，对清洁工艺过程的资源成本、边际经济效益、战略效益等 问题进行了研究和分析，并建立了相应的数学模型。 在前面理论和方法研究的基础上，研制开发了基于环境屋的机加工工 艺设计原型系统，并对原型系统的功能结构和运行过程进行了介绍。 关键词：清洁工艺过程，工艺设计，综合评价，环境，资源 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ee x a c e r b a t i n go ft h ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dr e s o u r c ee x h a u s t i o n ，t h e q u e s t i o n s ，s u c h a sg r e e n p r o d u c t ，e n v i r o n m e n ts i g na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n te t c h a v ei n c r e a s i n g l yb e c o m ef o c u s e st h a tp e o p l eh a v ep a i dc l o s ea r e n t i o nt o t h ec l e a n m a n u f a c t u r i n gm o d ea r i s i n ga tt h eh i s t o r i cm o m e n t f o rt h i sr e a s o ni sb e i n ga c c e p t e d g r a d u a l l yb y t h e p e o p l e ，w h i c h h a v ea l r e a d yb e c o m et h el e a d i n g p r o d u c i n g m o d eo f t h i s c e n t u r y u n d e r s u c h b a c k g r o u n d ，t h i s r e s e a r c h p a p e rc l i n g s t ot h e k e y t e c h n o l o g i c a lp r o b l e m s t h a ta r ea r o u n dt h ec l e a n e r p r o c e s so f t h em e c h a n i c a l p r o d u c t s ， a n dl a u n c h e s 也et h e o r e t i c a ir e s e a r c ha n dd i s c u s sw i t ht h ev i e w sa n dm e t h o d s s y s t e m a t i c a l l y t h ec o n t e n t so ft h ep a p e ra r et h ei m p o r t a n tp a r to f p r o j e c t ”b a s i cr e s e a r c ho n t h e o r ya n da p p l i c a t i o no fc l e a np r o d u c t i o ni nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g ”( n o ： 5 9 7 7 5 0 8 2 ) s u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a , t h e a c h i e v e m e n to ft h ep a p e rh a se x t r e m e l yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n da p p l y i n gv a l u et o i m p l e m e n t c l e a n e r p r o c e s sf o rt h em e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ca sf o l l o w s ： q ) b a s i n g o na n a l y z i n gt h et h r e ef o c u sq u e s t i o n s i te x p l a i n st h eb a c k g r o u n da n d t h ei n e v i t a b i l i t yf o rt h ec l e a n e rp r o c e s sa n da n a l y z e st h es i t u a t i o nb o t ha th o m ea n d a b r o a da tp r e s e n t ，a n da l s oh a s p o i n t e d o u tt h et e n d e n c y o f d e v e l o p m e n tf o rt h ec l e a n e r p r o c e s s - w i t h t h ec l u eo f m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i t h a se x p l a i n e dt h ei n t e n s i o no f t h ec l e a n e r p r o c e s sa n dp r o p o s e ds i xc h a r a c t e r i s t i c sa n d f o u rp r o p e r t i e st h a tt h ec l e a n e r p r o c e s sh a s o nt h eb a s i so f t h i s ，i th a ss e tu p t h em o d e l o f h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo f t h ec l e a n e r p r o c e s s i tc a r r i e so nd e t a i l e di n v e s t i g a t i o n sa n da n a l y z e st oe n v i r o n m e n t a li m p a c t i s s u e ss u c ha sr e s o u r c eu t i l i z a t i o n , e n e r g yc o n s u n l e ，e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，a n d p o i n t so u tt h a tt h em a i nd i s e a s ee x i s t i n gi nt h ep r o c e s sa r et h el o wo v e r a l lm a t e r i a l u t i l i z a t i o nf a c t o ra n dt h eq u e s t i o no fe n v i r o n m e n t a li m p a c tt h a ti t c a u s e s ，a st ot h i si t p u t sf o r w a r d t h ec o r r e s p o n d i n gs e t t l e m e n tc o u n t e r n l e a s u r c i th a sp r o p o s e ds i xm a j o rp r i n c i p l e so fc l e a n e rp r o c e s sd e s i g n a n dp r o p o s e d t w ok i n d so fc l e a n e rp r o c e s sd e s i g nm e t h o d sb a s e do nt h et h e o r yo f e n v i r o n m e n t i 重庆大学博士学位论文 r o o m ”a n dt h ea n a l y s i so f “c l e a nt r e e ”a n di ta l s oh a so f f e r e d 血ec o u r s em o d e lo f c l e a n e r p r o c e s sd e s i g na n da p p l i e de x a m p l e s i tp r o p o s e dt h ec o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a lf u n c t i o n so fe n v i r o n m e n t a lp r o p e r t y , m a s sp r o p e r t y ，e c o n o m ya n d p r o d u c t i v i t yr a t ea n ds e tu pt h ec o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a l i n d e xs y s t e m ，m o r a y s , i th a ss t u d i e dt h ec o n c r e t ed e c i s i o no ft h e c o m p r e h e n s i v e a p p r a i s a l f o rc l e a n e rp r o c e s s ，i tp r o p o s e df o u r c o n c r e t e ，p r a c t i c a lc o m p r e h e n s i v e a p p r a i s a la p p m a c h e s ，w h i c ha r eh i b e m r c h ya n a l y t i ca p p r o a c h ，f u z z yc o m p r e h e n s i v e a p p r a i s a l ，p r o c e s sa p p r o a c h a n dv a l u e a n a l y s i sa n do f f e r e de x a m p l e s a n a l y z e s c o n t r o la tt h ee n do f p i p e sg e n e r a l l y t a k e n b ym e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n di t se c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c ，o nt h eb a s i so ft h i s ，i th a s s t u d i e da n da n a l y z e dt h e p r o b l e m ss u c h a sr e s o u r c ec o s t s ，b o u n d a r ye c o n o m i c b e n e f i t s ， s t r a t e g i cb e n e f i t sa n ds e tu pc o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c sm o d e l s o nt h eb a s i so ft h et h e o r ya n dm e t h o ds t u d i e da h e a d , i th a sd e v e l o p e dt h e p r o t o t y p es y s t e mo f t h em a c h i n i n gp r o c e s sd e s i g nb a s e d o ne n v i r o n m e n tr o o ma n dh a s e x p l a i n e d t h ef u n c t i o ns t r u c t u r ea n d n m n i n gp r o c e s s t ot h ep r o t o t y p es y s t e m k e y w o r d s ：c l e a n e rp r o c e s s ，p r o c e s sd e s i g n , c o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a l ，e n v i r o n m e n t ， r e s o u r c e 1 绪论 1绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 环境问题 1 8 世纪的工业革命以来，人类依靠科学技术的发明和发展，创造了人类前所 未有的改造自然、征服自然的巨大生产能力，使得世界经济得到迅猛发展，并由 此给人类社会带来了空前的物质繁荣和精神繁荣。但不容忽视的是，正当人类庆 贺世界经济大树结出累累硕果的时候，人类社会赖以生存的环境根基却遭到了极 大的削弱和破坏，也即人类在征服自然、改造自然的同时，也空前地加大了对环 境的破坏能力，致使全球范围内产生了环境状况日趋恶化、生态系统严重失衡、 资源过度消耗等一系列生态环境问题”“。这些环境问题正日益严重地威胁着人类 社会的继续生存和持续发展。它的主要表现有： 全球气候变暖 工业革命以来，由于广泛使用矿物燃料而导致大气中的二氧化碳( c o ：) 含量 逐年增加。据有关资料统计，其年增长率达到0 5 以上o ，而二氧化碳气体就好 像一层日益加厚的透明薄膜，笼罩在地球表面。太阳的短波辐射可以透过大气层 直接射入地面，使地球变暖，而地球交暖以后所释放出的热辐射，被大气中的c o ： 等气体分子所抑制或吸收，难以逸出高空，从而使大气增湿，日积月累，使得全 球的气温变高，俗称“温室效应”“。根据科学家测定，工业革命以前，大气中 的二氧化碳含量只有2 7 0 p p m ，但到了2 0 世纪8 0 年代中叶，二氧化碳( c o ：) 的浓 度就增加到3 4 5 p p m ，二氧化碳( c o 。) 含量的逐年增加，它是导致全球气温变暖和 温室效应的主要原因。 温室效应是一种大规模的环境灾难“。它不仅使全球气候变暖，使干旱的地 方更加干旱，而且还会使全球降水量重新分布，使世界上的冰川和冻土融化，海 平面上升，可导致大片的沼泽和许多地势低洼的岛屿城市被淹没。根据全世界8 4 个水文记录站3 7 年的记录统计，地球海平面平均每年上涨1 7 5 m m 。 臭氧层的破坏 在距地球表面1 5 5 0 l ( m 高空的平流层中臭氧( 0 3 ) 的含量很丰富，浓度达到 i o p p m ，常称臭氧层。臭氧层对太阳光中的紫外线有极强的吸收作用，能吸收9 9 的高强度紫外线，从而能阻挡太阳紫外线对地球上人类和生物的伤害“”，它是地 球最好的天然屏障。然而在工农业生产中，由于广泛使用氯氟烃和哈龙( 包括5 种氯氟烃类物质和3 种卤代烃物质) 等工业物质，这些物质在紫外线照射下，产 生化学作用，会放出氯原子，而氯原子会夺去臭氧( 0 。) 中的一个氧原子，使臭 重庆大学博士学位论文 氧( o 。) 变成纯氧( 0 2 ) ，从而导致太空臭氧层日益损耗。据美国宇航局观测资料 表明，自1 9 6 9 年以来，全球除赤道以外，所有地区臭氧层中臭氧含量均减少了3 5 。自1 9 8 5 年科学家首先发现南极上空出现臭氧层空洞以来，南极臭氧层空洞范 围愈来愈大。目前臭氧层空洞已大如美国本土，深度如珠穆朗玛峰之高。臭氧层 的耗竭，对人类的危害是非常明显的，它将使皮肤癌、黑色素瘤、白内障的患者 剧增m 3 。 空气污染日益严重 随着近代工业与生活能耗的不断增加，各国向大气排放的挥发性有机化合物 和微量金属等空气污染物的数量与日俱增，再加上自然排放的空气污染物，使大 气污染不断加剧。其中酸雨就是大气污染的典型例证。形成酸雨的主要因素是二 氧化硫( s o ：) 和氮氧化物( n 0 ) 。据估计，全球每年人为排入大气的二氧化硫约1 5 亿吨。在工业化国家，9 0 的二氧化硫是人类的工业生产活动所排放的，它主要来 源于炼油厂、热电厂和冶金厂等。酸雨不仅对生态系统影响很大，对森林、植物、 建筑物、设备、人体健康也会造成严重危害。目前，世界上大约有9 亿人生活在 对健康有害的s 0 。浓度超标的环境中，有1 0 亿人以上暴露在超量的悬浮颗粒物中。 历史上著名的“伦敦烟雾事件”和“洛杉矾烟雾事件”，已使成百上千人罹难死亡 。在当今全球大气污染最严重的城市排名中，据统计，中国城市占了1 2 。2 0 0 0 年，我国的二氧化硫排放量1 9 9 5 万吨，酸雨面积已占国土面积的3 0 ，成为与欧 洲、北美并列的世界三大酸雨区之一。 水污染加剧 随着工业的发展，大量工业废水排入江河、湖泊及沿海水域中，同时，农田 流失的肥料和农药亦污染了河流和湖泊。此外，地面倾倒的有毒废物也严重污染 了地下水和地表水，这些都导致了全球范围内的水污染日益加剧”“。据资料介绍， 日本每年约有1 3 0 亿吨的有毒工业废水排入海中，致使日本几乎所有的近海海域 遭到严重污染，其海水呈褐色，甚至黑色。美国也是如此，它每年向海洋排放的 工业废弃物约占世界的五分之一以上，仅废水每年就达2 0 0 0 亿吨之多，致使其近 海海域严重污染，沿岸面积8 0 海滩的贝类不能食用。我国的水污染状况也不容 乐观，据国家环保局统计公布，2 0 0 0 年共排放工业废水1 9 4 2 亿吨，其中近1 3 未达排放标准的工业废水未经处理就直接排入了江河、湖泊，致使流经河段造成 严重污染。 工业固体废弃物急剧增加 随着工业化、城市化进程的加快，固体废物数量迅速增加。目前全球排放的 固体废物总量已达2 0 亿吨年，其中绝大部分都是工业废物。固体废物特别是有 害废物构成的环境公害和潜在危机，日益成为世界各国关注的环境问题。“。固体 1 绪论 废物无控制的堆存、排放，随意的填埋和倾倒，占用了大量的土地，污染了土壤、 水体和大气，破坏了生态环境。危害人体健康最典型的例子如：世界八大公害事 件之一的日本镉金属污染引发的“疼痛病”事件，它就是由4 0 年代前丢弃的“镉 渣”污染土壤后并转化到稻谷中，人类食用后，造成了震惊世界的镉中毒污染事 件。 我国的固体废弃物问题也相当突出，据国家环保局统计公布，2 0 0 0 年全国工 业固体废物量产生量已达到8 1 亿吨之多，其中有害废物排放量3 1 8 3 1 万吨。 矿藏资源匮乏 当今工业生产( 特别是发展中国家) 主要依靠高投入、高消耗、高污染的粗 放型生产模式来谋求经济的增长，致使生产中对能源、原材料及各种矿藏资源的 需求量已远远超过了对环境的再生能力，致使自然生态环境遭受到过度的开发和 冲击，造成了世界范围内的资源匮乏危机”“。据统计，近几十年来，矿产资源的 开采量和消耗量每1 5 年翻一番，目前工业所需的矿产资源已有1 8 种处于相对短 缺状态。全球不可再生的矿物能源，按目前的消耗率，煤只能维持7 5 0 年、石油 5 0 、天然气4 9 年。 综上所述，环境污染的主要来源是工业生产。源于工业生产行为的环境污染 和赍源浪费已经严重危及到人类的生存与健康，成为举世关注的焦点问题。是不 是工业化必然会带来“污染化”呢? 仔细研究就会发现，当今严重的环境污染并 不能只怪工业本身，而是因为人类在进行工业生产时，对环境及资源问题没有考 虑或考虑得很少，重视的程度不够，对产品制造工艺过程中的工艺技术问题没有 进行仔细研究和开发，而应用了一些有缺陷的工艺技术所造成的。这些有缺陷的 工艺技术在使用时不能把原材料全部转化为产品，而是大部份以废物的形式浪费 掉了。同时，由于产品设计时的考虑不周或没有考虑环境污染等问题，致使产品 在使用过程中也造成了大量的环境污染。 工业的发展历史表明，工业革命以来造成环境问题的关键因素在于产品制造 过程中所采用的工艺技术落后，针对上述问题，作 者提出了本论文研究的主要研究内容一一清洁工 艺过程及其关键技术的研究，该项目对解决上述环 境污染问题具有重要意义。 1 1 2 产品的环境标志问题 环境标志又称绿色标志，它是对产品环境性能 的一种带有公证性质的证明，也可以说是对产品的 全面环境质量状况( 相对于其它同类产品而言) 的 有效评价，具体做法是在产品或产品的包装上贴上 图1 1 德国蓝色天使标志 f i g 1 1 t h eb u l e a n g e ls i g n o f g e i t f l a n y 重庆大学博士学位论文 或印届4 上特定的环境标志图形( 如图1 1 所示为德国最早使用的环境标志“蓝色 天使”) ，以表明该产品在制造、使用及回收处理过程中均符合环境保护的要求， 不危害人体健康，资源利用率高，环境无污染或污染极小。可以说环境标志是 人类对环境问题愈来愈重视表现出来的一种具体措施，其主要目的是为了提高产 品的环境品质和特征。环境标志对企业而言，可谓是绿色产品的身份证，是企业 获得政府支持，取得消费者信任，进入国际市场的重要保证。 作为制造企业来讲，要想取得环境标志，就必须要使自己的产品达到环境标 志管理机构所规定的环保标准的要求，在这些环保标准中，其中有很多指标都是 与产品制造工艺过程密切相关的，常用的环境行为参数如原材料和能源的使用数 量、使用效率，单位产品所产生的废弃物数量，制造过程中c o ：及其它特殊污染 物气体的排放量，以及制造过程中水污染量等指标都与产品制造工艺过程有关。 因此，作为制造企业来讲，怎样去实现它的环境目标，取得产品的环境标志? 其 中很重要的一点那就是必须改变以往的产品制造工艺过程，而必须采用节省资源、 能源，环境污染小的清洁工艺过程才行。 另一方面，由于有了环境标志这种证明性商标，可以使消费者可以一目了然 地看出同类产品在环境方面的差异，这对消费者来讲，起着导购的作用，它极大 地提高了产品的市场竞争能力。这样通过消费者的市场选择和产品的市场竞争， 也促使企业自觉自愿地采用清洁工艺过程来制造、开发有利于环境的绿色产品。 环境标志实施已有2 0 年的时间，其中德国是最早使用环境标志国家。据统计， 目前世界上已有三十多个国家和地区如日本、加拿大、法国、丹麦、芬兰、新加 坡等已经开始实施环境标志工作，如德国环境标志产品 已达到7 5 0 0 种，占全国商品的3 0 。日本环境标志产 品有2 5 0 0 种。产品的环境标志认证正逐渐受到世界各 国的广泛重视。 环境标志认证工作在我国起步较晚( 1 9 9 3 年开始) ， 但发展很快。1 9 9 3 年国家环保局正式颁布了中国的环 境标志图形，如图1 2 所示，它由青山、绿水、太阳及 十个环组成。标志图形的中心表示人类赖以生存的环境 是青山、绿水和太阳，外围的十个环紧密结合，环环紧 扣，表示公众参与，共同保护环境，同时十个环的“环” 图1 2 中国环境标志 f i g 1 2 t h ee n v i r o n m e n t s i g no f c h i n a 字与环境的“环”同字，其寓意为“全民联合起来，共同保护人类赖以生存的环 境”。据统计，目前我国环境标志已经开展了4 4 类产品的认证，3 0 0 余家企业的 1 0 0 0 余种产品获得环境标志证书，并形成每年5 5 0 亿元的环境标志产品市场。 随着环境问题和市场的全球化，环境标志越来越多地出现在国际贸易活动中， 4 1 绪论 影响着国际贸易活动。环境标志一方面有利于产品的国际竞争力，促进了产品进 入国际市场；但另一方面，环境标志也可能会被某些国家利用，成为绿色贸易壁 垒的保护网或工具。如一些发达国家利用自身经济、技术上的优势，以保护环境 为借口，以限制进口，保护贸易为目的，通过颁布复杂多样的环保法规、条例， 建立严格的环保技术标准和产品包装要求，建立繁琐的检验、认证和审批程序， 实施环境标志制度等对进口产品设置障碍，从而使一些发展中国家蒙受了巨大的 经济损失。一些发达国家已明确规定，没有环境标志的产品要受到数量和价格方 面的限制。随着关税水平进一步降低，传统的非关税壁垒活动逐步消灭的情况下， 在今后的国际贸易活动中，环境标志将成为国际贸易保护主义的主要工具，并且 这些以环境标志为工具的绿色贸易壁垒，由于它具有形式上的合法性、名义上的 合理性、其内容的广泛性、操作方式上的隐蔽性特点，它是各种贸易保护措施中 最难应付的。 如何打破绿色贸易壁垒，增加贸易出口，已成为当今世界各个国家企业面临 的重要难题。对产品制造企业来讲，采用先进的清洁工艺过程，制造出符合环境 保护法规的绿色产品，积极参与产品环境标志认证是打破绿色贸易壁垒最有效的 途径。 1 1 3 企业的可持续发展战略问题 可持续发展( s u s t a i n a b led e v e l o p m e n t ) 思想起源于环境保护。随着人口剧 增，粮食短缺、能源紧张、资源过度消耗，全球气温变暖，臭氧层耗损等一系列 全球环境问题不断加剧，对人类的生存和发展构成严重威胁，严峻的现实迫使人 类不得不重新审视自己的社会经济行为，反省自己所走过的历程，从而认识到单 纯追求经济增长和“先污染后治理”的传统发展模式已不能适应当今人类社会发 展的需要，必须寻求一条社会经济与资源环境相协调的发展道路可持续发展 的道路“”。 1 9 7 2 年5 月联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了人类环境会议，在会上通过 了著名的人类环境宣言，宣言中指出；“保护和改善人类环境是关系到世界各 国人民幸福和经济发展的重要问题”，这标志着可持续发展思想的诞生。1 9 8 7 年 世界环境与发展委员会向联合国提出了一份题为我们的共同未来的报告，正 式提出了可持续发展的定义：既满足当代人的需求，又不对子孙后代满足需要之 能力或危害的发展汹1 。可持续发展可谓是当今人类社会最为关心和迫切需要解决 的问题之一，可持续发展要求社会的发展、经济的增长必须控制在自然资源和环 境能力能承受的范围内。从人和企业的角度来讲，可持续发展就是借助各种技术手 段，使人类在各种生产活动中能优化利用资源，减少并消除对环境的污染。 目前世界各国企业的生产方式( 包括我国在内) 主要都是以自然资源的高投 重庆大学博士学位论文 入、高消耗为特征的粗放型生产方式。这种生产方式不仅大量消耗地球上的资源， 而且由此产生的工业废物造成的环境污染，真接威胁着人类的持续生存和发展。 按照可持续发展思想，当今人类就不应该凭借着手中的技术和投资，采取耗竭资 源、破坏生态和污染环境的方式来实现经济的持续发展，更不能以牺牲后代人发 展的机会和权利来谋求发展。可持续发展战略的实质就是要求人类社会要转变传 统的粗放型生产方式，一方面在生产时尽可能少投入、多产出；另方面在消费 时尽可能多利用、少排放。与可持续发展相适应的工业生产模式是集约型生产， 集约型生产方式是一种资源节约型和综合利用型生产方式。与传统生产方式不同， 集约型生产方式追求的是生态经济效益，它强调把人类的生产能力与环境的缓冲 能力，资源承载能力和管理的调控能力结合在一起，以产品的清洁制造工艺过程 为基础的清洁化生产也正是这种思想下的产生的，可以说，清洁化生产模式是集 约型生产方式的最典型的代表。 企业作为资源的消费者和产品及废弃物的生产者，在人类的可持续发展过程 中具有重要作用。一般认为环境问题主要是由工业生产和其产品使用过程中产生 的，工业和技术是把双刃剑，它既空前增强了人类征服和改造自然的能力，同时 也会成为人类破坏环境以至毁灭自身的力量。由于企业是工业和技术的实体，因 此人类的可持续发展战略必须落实到企业可持续发展基础上。怎样才能实现企业 的可持续发展? 采用清洁的工艺过程，走清洁化生产道路，这是企业必然的选择。 1 1 4 小结 综上所述，无论是日益严重的环境污染问题，还是企业产品的绿色标志的取 得以及企业的可持续发展战略的实现，都与产品制造工艺过程息息相关，他们都 需要对以往产品制造工艺过程的资源能源消耗、废弃物的排放等问题，进行反思 和变革。本论文研究的题目清洁工艺过程及其关键技术的研究正是针对上述 问题提出来的，本论文的研究成果将有助于上述问题的解决，因此本论文的研究 内容是具有重要的现实意义的1 1 2 清洁工艺过程的国内外研究现状 1 2 1 清洁工艺过程在产品寿命周期中的重要地位 一个产品的寿命总是有限的，它从“摇篮”到“坟墓”，再到“转生”的过程 称为产品的寿命周期循环。产品寿命周期包括市场调研、产品设计与开发、采购、 生产准备、制造、包装发运、使用、用后处理、售前服务、售后服务等过程。在 上述产品寿命周期过程中，我们不难发现制造资源如原材料、劳动力、能源等的转 变主要发生在产品制造工艺过程中，也可以说，产品的制造工艺过程是产品寿命周 期中物质流程和能量流程的主要体现者。制造工艺过程在将制造资源转变成产品 l 绪论 的过程中，消耗了大量的物质资源和能量资源，同时也产生了大量的废弃物，对 环境造成污染，因此，产品制造工艺过程在产品寿命周期中占据着极其重要的位 置，它们是清洁化生产研究的重要对象，本论文以产品的物料转化和能量消耗为 主线，对产品制造工艺过程中产生的环境影响问题进彳亍研究，使之做到清洁制造， 其意义深远而重大。 1 2 2 清洁工艺过程的起源 过去企业从自身的经济利益出发，总是力求增加投入来扩大生产，很少注意到 产品制造过程对环境的影 响。在上节中所论述的三大 问题( 日益严重的环境问题， 绿色标志问题，企业可持续 发展战略的实现问题) 是清 洁化生产模式形成的根本原 因，也是工业企业对上述三 大问题做出的必然反应，如 图1 3 所示。 笔者所在的项目组对清 洁化生产的内涵进行了深入 研究儿6 ”6 2 m 3 1 认为： 图1 3 清洁化生产形成背景 f i g 1 3t h ef r o m i n gb a c k g r o u n do f c l e a n e rp r o d u c t i o n 清洁化生产是一种面向可持续发展的新生产模式，它在产品寿命循环周期各 个环节中融入“全面预防污染”的，m 。；t 。4 | ，通过采取各种技术和管理措施，有机集 成并优化运行涉及产品全过程的各种信息流、物料流和能量流，从而经济地实现 产品的“绿色”特性，提高企业的市场竞争能力。 清诘i 艺过程 图1 4 清洁化生产的内涵 f i g 1 4 t h ei n t e n s i o no f c l e a n e r p r o d u c t i o n 重庆大学博士学位论文 由于产品制造工艺过程是产品寿命周期中主要的物质流和能量流过程，是产 品寿命周期的主要组成部分之一，因此，清洁工艺过程也必将成为清洁化生产中 的重要内容。如图1 4 所示，产品制造的清洁工艺过程寓于企业的清洁化生产中， 是企业实施清洁化生产的基础和关键环节。产品的清洁工艺过程随着清洁化生产 的诞生而出现，其内容也随着清洁化生产的发展而不断丰富。 可以说清洁工艺过程的思想是在较长的污染防治过程中逐步形成并完善的。 最初人类对工业大生产所产生的污染问题缺乏足够的认识，许多企业将工业废物 直接排于自然环境中( 即自然排放) 。以后随着工业废物排放量的增大，有些企业 便将污染物人为的“稀释”，降低眼前浓度再排放，即“稀释排放“”。工业化初 期采取的“稀释排放”，环境尚能承受，但自然界的容量和自净能力毕竟是有限的 ”，长期不断的“稀释排放”必然导致环境污染日益严重，因此许多工业国家不 得不由“排放”转向“治污”。即针对制造过程中产生的污染物进行治理，又称末 端治理( c o n t r o la tt h ee n do fp i p e s ) 。“末端治理”与“稀释排放”相比，“末 端治理”是一大进步，不仅有利于消除污染事件，也在一定程度上减缓了制造活动 对环境的污染和对生态破坏的势头”“。随着工业化进程迅速扩展，“末端治理”也 很快显出其局限性”“。从5 0 年代起到7 0 年代，尽管人类为治理污染付出了巨大 代价，全球性的环境问题还是变得日趋严重。面对这种情况，人们开始意识到， 与其治理污染，还不如调整以往的制造方式，改进产品的工艺过程，优化工艺过 程的资源配置，从产品整个寿命周期整体的角度，从污染产生的源头就开始采取 预防措施，使污染物减至最少，这样就逐渐形成了清洁工艺过程的最初思想。实 践证明清洁工艺过程确实能实现人们“预防为主，治理为辅”的愿望。清洁工艺 过程是对末端治理方法解决环境问题的根本性变革，它把整体预防的环境战略持 续应用于产品的整个寿命周期过程，可以说清洁工艺过程是可持续发展的优先行 动领域，它通过污染预防来减少污染物的产生，从而保护地球的生态环境系统。 从清洁工艺过程发展历程来看，与清洁工艺过程有关的概念有很多种“”“，如 表1 1 所示。 表1 i n 出l e l 1 中文英文 废物预防 w 缸t e p r e v e n t i o n 源削减s o u r c er e d u c t i o n 源控制s o u r c ec o n t r o l 低废物工艺l o w w a s t et e c h n o l o g y 低污染工艺 l o w - p o l l u t i n gt e c h n o l o g y 污染控制工艺p o l l u t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y 污染预防p o l l u t i o np r e v e n t i o n 废物最小化w a s t em i n i m i z a t i o n 1 绪论 上表1 1 中这些概念的基本内涵是一致的，它们具有相同的“全面预防污染” 的目的。如美国国家环境保护局在1 9 8 4 年就提出了“废物减量化”的概念”“，其 涵义是：将产生的或随后处理、储存或处置的有害废物减少到可行的程度。这一 定义包括任何形式的源削减和循环活动，只要这些活动能减少有害废物的总量和 种类并消除有害物的毒性。废物减量化的根本目的就是将有害物对人体健康和环 境的危害减少到最低程度。随后，美国环保局又进一步提出污染防治应该从源削 减入手。在1 9 9 0 年，由美国联邦政府通过了“污染预防法”。与废物减量化不同， 污染预防被定义为通过源削减和安全回收利用来减少污染物的数量和毒性，从而 减少对最终污染的控制。它强调，在可能的最大限度内减少生产中产生的全部废 物量，它包括通过源削减来提高能源利用率和在生产中重复使用资源，以及降低 资源消耗量来合理利用资源。常用的源削减方法是改善产品结构和改进制造工艺， 如产品的重组与设计更新、原材料的替代、设备与技术的更新、工艺与流程的更 新，以及促进生产的科学管理、维护、培训或仓储控制等。 欧洲经济委员会在1 9 8 4 年也提出了“无废工艺”的概念，认为无废工艺是一 种生产产品的方法，借助于这一方法，所有的原料和能量在原料资源生产一 一消费二次原料资源的循环中能得到最合理的综合利用，同时任何作用都不 至于破坏环境的正常功能。 综上所述，人们在污染预防过程中采用的低污染工艺、低废物工艺、废物最 小化、无废工艺、废物减量化等措旌即是清洁工艺过程产生的原始模型。 1 2 3 清洁工艺过程研究的国内外研究现状 近年来，随着环境保护意识的增强，国内外研究人员对产品制造工艺过程中 的污染排放情况、资源和能源有效利用情况非常重视，并对产品制造工艺过程的 清洁化生产进行了深入的研究，其主要内容包括： 清洁工艺审计 清洁工艺审计以产品的制造工艺过程为对象，按照清洁化生产的要求进行审 计1 。在审计过程中，要对产品制造过程中各个环节各个阶段的资源消耗、能源 消耗、废弃物产生和劳动保护的情况进行监测，并结合理论数据，进行定量的分 析和评估，以找出产品制造过程中存在的高物耗、高能耗、高污染的薄弱环节， 然后根据因果关系，分析找出原因，最后制定出可行的解决方案5 ”。 清洁工艺审计是企业推行清洁化生产的重要前提，在国内外都已得到广泛的 应用和研究。企业通过清洁工艺审计，可以找出产品制造工艺过程的清洁症结所 在，减少和防止污染的产生，改善企业的环境质量，从而促进企业的可持续发展 实现，故它是企业推行清洁化生产的关键和核心。 制造过程中的能量消耗分析 9 重庆大学博十学位论文 以重庆大学刘飞教授为代表的研究人员对机械加工系统的能量流特性、能量 信息监控技术和机械加工节能技术进行了系统深入的研究，并取得丰硕成果。在 文献 3 1 机械加工系统能量特性及其应用中详细论述了机械加工过程中的能 量消耗规律，并提出机械加工过程中的一些节能途径和措施，同时还研制出一些 能量监控器。 有关切削液的环保问题研究 切削液( c u t t i n gf l u i d ) 是机械加工过程中常用的配套辅料，在机械加工 中主要是起冷却、润滑、清洗和防锈的作用，它对保证工件的加工质量，延长刀 具寿命有着极其重要的意义。然而，随着切削液的大量使用，切削液报废后的任 意排放对环境又造成了严重污染( 主要是水体污染) ，除此以外，在机械加工过程 中切削液浇注时，由于高温所形成的气溶胶，对操作者的身体健康也造成了一定 的危害，因此，人们在认识和考虑切削液对加工过程的重要性的同时，如何降低 切削液对环境的不良影响目前已成为世界各国机械制造业亟待解决的难题之一。 如文献 1 e n v i r o n m e n t a la s p e c t so fg r i n d i n gf l u i d s 讨论了磨削液在回收 过程中的几个方面的问题：文献 1 4 c u t t i n g f l u i d a e r o s o l f r o ms p l a s h i n t u r n i n g ： a n a l y s i sf o re n v i r o n m e n t a l l yc o r t s c o u sm a c h i n i n g ) ) 和文献 1 5 a j le x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o ni n t ot h ee f f e c to fp r o c e s sc o n d i t i o n so n t h em a s sc o n c e n t r a t i o no f c u t t i n g f l u i dm i s ti nt u r n i n g 都分别对切削过程中，切削液浇注时，所形成的气溶胶及其 危害等问题进行了讨论；文献 2 3 绿色制造专门对机械加工过程中切削液的 环境行为进行了分析和评估，在此基础上，提出了切削液的设计、回收处理等方 法和发展趋势，并提出几种高效的集成冷却方法，以避免和减少切削液带来的环 境污染问题；文献 8 3 】复合喷雾加工法在切削过程中的冷却和润滑效果介绍 了一种新型的喷雾冷却方法，这种方法不仅能减少切削液的使用量，而且冷却润 滑效果还比普通的浇注冷却方法好。 干式切削加工技术的研究 于式切削加工就是在切削加工过程中，刀具与工件及刀具与切屑的接触区不 使用切削液的加工方法。这种加工方法从原理上来讲并不新，很早以前，人们在 切削加工铸铁材料时就不使用切削液。随着环境立法和可持续发展的要求，促使 人们积极开展千式切削加工技术研究，人们希望不仅是铸铁材料能不用切削液， 对其他所有的材料其切削加工都能不用切削液。正是由于干式切削加工直接消除 了切削液的环境污染及危害等问题，因此，干式切削加工技术在世界各国尤其是 工业发达国家得到普遍重视，各国研究人员纷纷开始对于式切削加工的刀具材料、 刀具几何参数、切削条件和千式切