绿色制造的理论与技术

第1章 绿色制造概述 1.1 绿色制造的概念与内涵 1.1.1 绿色制造的提出 环境、资源、人口是当今人类社会面临的三大问题。特别是环境问题，其恶化程度与日俱增，对人类社会的生存与发展构成严重威胁。有人把全球性的环境问题的严峻程度以及人类社会对环境问题的意识比喻为第三次世界大战。战争将有两种结局：一是人类对当前的环境问题认识不足，不采取果断措施，继续以牺牲环境来求得经济发展的高速度，这实质是一条白掘坟墓、人类自己毁灭自己的道路。另一种是人类从传统的观念束缚下挣脱出来，反思白己，树立崭新的环境观念，采取有力措施，走绿色文明之路，从而创造人与环境和谐共存、发展的新局面。毫无疑问，人们当然希望是第二种结局。 随着全球环境的日益恶化，人们对环境问题已愈来愈重视。近年来的研究和实践使人们认识到环境问题绝非是孤立存在的，它和资源、人口两大问题有着根本的内在联系。特别是资源问题，它不仅涉及人类世界有限的资源如何利用，而且它又是产生环境问题的主要根源。于是，近年来提出一个新的概念：*有效地利用资源和*低限度地产生废弃物，是当前世界上环境问题的治本之道。制造业是将可用资源（包括能源）通过制造过程，转化为可供人们便用和利用的工业品或生活消费品的产业。它涉及到国民经济的大量行业，如机械、电子、化工、食品、军工等。制造业是创造人类财富的支柱产业，其功能是通过制造系统来实现的。 制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中和产品的使用和处理过程中，同时产生废弃物（废弃物是制造资源中未被利用的部分，所以也称废弃资源）。废弃物是制造业对环境污染的主要根源。制造系统对环境的影响如图1-1所示。 图1-1中虚线表示个别特殊情况下，制造过程和产品使用过程对环境直接产生污染（如噪声），而不是废弃物污染。但是这种污染相对于废弃物带来的污染小得多。 由于制造系统量大面广，因而对环境的总体影响很大。可以说，制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是当前环境污染的主要源头。有鉴于此，如何使制造业尽可能少地产生环境污染是当前环境问题的一个重要研究方向。于是一个新的概念绿色制造由此产生，并被认为是现代企业的必由之路。 图l-l制造系统对环境的影响 各国专家的研究普遍认为，绿色制造是解决制造业环境污染问题的根本方法之一，是实施环境污染源头控制的关键途径之一。绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。 1.1.2 绿色制造的定义和问题领域 综合现有文献的观点和作者们所作的研究，本书将绿色制造定义如下： 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响*小，资源利用率*高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。 该定义体现出一个基本观点，即制造系统中导致环境污染的根本原因是资源消耗和废弃物的产生，因而本绿色制造的定义中体现了资源和环境两者不可分割的关系。 由上述定义可得出绿色制造涉及的问题领域有三部分：①制造问题，包括产品生命周期全过程；②环境保护问题；③资源优化利用问题。绿色制造就是这三部分内容的交叉，如图1-2所示。 1.1.3 与绿色制造有关的现代制造模式 近年来，围绕制造系统或制造过程中的环境问题，已提出了一系列有关的制造概念和制造模式。除绿色剖造外，与此相类似的制造概念还有许多，如环境意识制造、清洁生产、生态意识制造等。为了区别绿色制造与其他概念，并进一步明确绿色制造的技术范围，将其中的主要模式大致归类，如图1-3所示。 图1-2 绿色制造的问题领域交叉状况 图1-3 与环境有关的制造概念和制造模式 图1-3 表明，与环境有关的制造概念和制造模式大致可分为4类或4个层次。 **层次（底层）为环境无害制造，其内涵是该制造过程不对环境产生危害，但也无助于改善现有环境状况；或者说它是中性的。 第二层次包括清洁生产、清洁技术和绿色生产等。其内涵是这些制造模式不仅不对环境产生危害，而且还应有利于改善现有环境状况。但是其绿色性主要指具体的制造过程或生产过程是绿色的，而不包括产品生命周期中的其他过程，如设计、产品使用和回收处理等。 第三层次包括绿色制造、清洁制造、环境意识制造等。其内涵是指产品生命周期的全过程（即不仅包括具体的制造过程或生产过程，而且还包括产品设计、售后服务及产品寿命终结后处理等）均具有绿色性。 第四层次包括生态意识制造和生态尽责制造等。其内涵不仅包括产品生命周期的全过程具有绿色性，而且包括产品及其制造系统的存在及其发展均应与环境和生态系统协调，形成可持续性发展系统。 1.1.4 绿色制造内涵的广义性 绿色制造内涵的广义性表现为： 1)绿色制造中的“制造”涉及到产品整个生命周期，因而是一个“大制造”概念，同计算机集成制造、敏捷制造等概念中的“制造”一样。绿色制造体现了现代制造科学的“大制造、大过程、学科交叉”的特点。 2)绿色制造涉及的范围非常广泛，包括机械、电子、食品、化工、军工等，几乎覆盖整个工业领域。 3)绿色制造涉及的问题领域包括三部分：①制造问题；②环境保护问题；③资源优化利用问题。绿色制造是这三部分内容的交叉和集成。 4)资源问题、环境问题、人口问题是当今人类社会面临的三大主要问题，绿色制造是一种充分考虑前两大问题的一种现代制造模式；从制造系统工程的观点，绿色制造是一个充分考虑制造业资源和环境问题的复杂的系统工程问题。 当前人类社会正在实施全球化的可持续发展战略，绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。 1.1.5 绿色制造的效益特征 20世纪及其以前的制造企业（以下简称传统制造企业）的追求目标几乎是**的（近年来稍有改变），即追求*大的经济效益，如图1-4 (a)所示。企业为了追求*大的经济效益，有时甚至不惜牺牲环境效益；另外对资源消耗问题也主要算经济账，而很少考虑人类世界有限的资源如何节约问题。 21世纪是生态经济时代，正如人才、企业文化等成为企业的无形资产，单纯算经济账不能体现其价值一样，企业的环境效益状况关系到企业可持续发展。因此，绿色制造的实施要求企业既要考虑经济效益，更要考虑社会效益（包括环境效益和可持续发展效益等），于是21世纪实施绿色制造的企业（简称绿色制造企业）追求的效益目标将从单一的经济效益优化变革到经济效益和社会效益协调优化，如图1-4 (b)所示。 图1-4 企业效益目标变革 经济效益是企业存在与发展的基本条件。但是，新的市场环境赋予了企业取得满意经济效益较过去更加丰富的途径。 绿色制造企业追求的社会效益主要关注环境效益或可持续发展效益。因为环境对经济具有支持作用，可以从3个方面来理解： 1)环境提供了经济活动中所必需的原材料和能源，包括不可再生资源、可再生资源和半可再生资源。 2)环境具有吸收、容纳降解社会经济活动中所排放废弃物的功能，即环境具有自净能力。这一功能具有公共特征，存在于市场交换关系之外。但是环境承载力是有限的。 3)环境向个体和社会提供了白然服务，这涉及经济活动过程与环境间物质和能量的直接性物理交换（如生态和气候保护、物质材料的循环和能量的流动、生物差异等）及个体直接的福利效益（如休闲、健康、美学等）。 协调优化强调经济效益与社会效益之间存在着有机的联系。 1)社会经济再生产过程以社会环境资源的再生产过程为前提条件，而社会环境资源的再生产过程又受到经济再生产过程的影响，并对其具有约束作用，污染物的产生和自然资源的消耗以及环境质量状况是经济与环境的结合部。 2)环境具有有限的自净能力和资源再生能力，它决定了在一定条件下环境所能容纳、降解污染物的能力和为社会经济发展提供资源和能源的能力，如果社会经济活动产生的环境污染以及对资源和能源的消耗与环境承载能力相协调，就能充分地利用环境的白净能力与环境资源再生能力．达到环境与经济的协调发展。 绿色制造的实施是缓解经济与环境矛盾、实现经济与环境协调发展的关键。 1.2 国内外绿色制造研究状况与企业实践 1.2.1 国外绿色制造技术状况及发展趋势 绿色制造，又称环境意识制造( environmentallv conscious manufacturing)、面向环境的制造(MFE)等。国际上，绿色制造有关内容的研究可追溯到20世纪80年代，但比较系统地提出绿色制造的概念、内涵和主要内容的文献是美国制造工程师学会(SME)于1996年发表的关于绿色制造的专门蓝皮书Green Manufacturing[1]。1998年SME又在国际互联网上发表了绿色制造的发展趋势的网上主题报告-Trends of Green Manufacturing，对绿色制造研究的重要性和有关问题又做了进一步的介绍。 近年来，绿色制造及其相关问题的研究非常活跃。特别是在美国、加拿大、西欧等一些发达国家，对绿色制造及相关问题进行了大量的研究。 在美国，从一些国家重点实验室到国家研究中心，从东海岸的麻省理工学院到西海岸的Berkelev加州大学，大量的研究工作正在进行。如Berkelev加州大学不仅设立了关于环境意识设计和制造的研究机构，而且还在国际互联网上建立了可系统查询的绿色制造专门网页Greenmfg。卡奈基梅隆大学的绿色设计研究所从事绿色设计、管理、制造、法规制定等的研究和教育工作，并与政府、企业、基金会等广泛合作。不少企业也进行了大量研究，如1996年美国SME学会关于绿色制造研究的圆桌会议的大多数骨干是来自企业界的负责人或代表。美国AT&T公司在企业技术学报上发表了不少关于绿色制造的研究论文。美国国家科学基金会对绿色制造中的相关问题的研究给予了高度重视和支持，如美国国家科学基金会1999年资助课题报告会（NSF Design&Manufacturing Gran tees Con.ference）所报告的与绿色制造相关的研究课题就有十余项。在此届大会上，NSF设计与制造学部主任Martin-Vega博士在大会主题报告中还指出了未来制造业面临的六大挑战性问题，环境相容性问题就是其中之一，而且指出目标就是减少制造过程中的废弃物和把产品对环境的影响降到*低限度；随后，Martin-Vega博士又提出未来的“十大关键技术”，其中包括“废弃物*小加工工艺”。 加拿大Windsor大学建立了环境意识设计和制造实验室(ECDM lab)和基于WWW的网上信息库，发行了International Journal of Environmentallv Consc’ious Design and Manufac’tttring杂志。对环境意识制造中的环境性设计、生命周期分析(life cvcle analysis，LCA)等进行了深入的研究。ECDM lab于1995年开发了一套有关环境性设计软件EDIT (environmental design industrial template)。 在欧洲，国际生产工程学会(CIRP)近几年均有大量论文对环境意识制造和多生命周期工程等绿色制造本质问题进行研究。英国CfSD (the center for sustainable design)对生态设计、可持续性产品设计等进行了集中研究，并开展了有关的教育T作，发行了The Journal of Sustainable Product Design杂志。 国际电子电器工程师协会(IEEE)和日本生态设计(EcoDesign)协会联合发起，在松下、索尼、IBM、丰田等多家