面向材料效率的汽車產(chǎn)品回收利用關鍵技術研究

陳 銘

上海交通大學機械與動力工程學院，上海，200240

0 引言

據(jù)估計，我國每年的汽車報廢量約為700萬輛，與整個歐盟相當，到2025年時，報廢汽車數(shù)量將達到1 200萬輛。報廢汽車的合理處置將對我國的經(jīng)濟和環(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)和加工對環(huán)境有著極強的負面影響，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》中對材料效率進行了定義，即“在減少材料生產(chǎn)和加工的同時提供相同的材料服務”。

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工業(yè)。若以每輛報廢汽車平均車重1.2噸計算，目前我國的報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)動機、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，合理處理報廢汽車能帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

當前關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)濟屬性。材料效率的執(zhí)行主體是企業(yè)，如果不考慮經(jīng)濟性，材料效率的理念只是空談。從材料效率視角，我國報廢汽車的回收處理面臨以下難題：

(1)汽車產(chǎn)品設計對提高回收利用率的作用還不明顯。汽車制造商對產(chǎn)品可回收性、可拆解性、可再制造設計的重視程度不夠；車用材料中重金屬、溴阻燃劑、多氯聯(lián)苯等環(huán)境負荷物質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)標準以指導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%回收利用率目標的實現(xiàn)。動力蓄電池、燃料電池、儲氫裝置、電子控制單元等先進復雜零部件不斷涌現(xiàn)，需要開發(fā)新的回收利用策略來應對這種挑戰(zhàn)。

(3)退役車用材料和零部件的再利用經(jīng)濟價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，拆解作業(yè)隨意性大，并未形成科學合理的拆解策略和適應未來大規(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)處置帶來沉重負擔。

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

因此，從材料效率角度考慮回收問題時，在強調(diào)汽車產(chǎn)品設計開發(fā)企業(yè)在設計階段須充分考慮回收性設計的同時，必須扶植并強化汽車產(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制，不斷強化消費者對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，以上海交通大學可持續(xù)設計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鍵問題。

1 汽車產(chǎn)品中的材料效率

材料效率的核心價值在于節(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]對材料的初級及次級生產(chǎn)方法進行比較后發(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(汽車報廢、資源再生、回收利用)。汽車產(chǎn)品綠色制造是一個閉環(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)品從設計到報廢的全生命周期內(nèi)對自然環(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，實線箭頭為正向過程，其中虛線方框代表能量效率關注的技術領域。國際能源署[5]于2008年對包括鋼、鋁、紙、水泥、塑料在內(nèi)的5種材料進行能量效率分析，結果顯示：若全球所有工廠都能采用最佳節(jié)能減排技術和標準，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%；通過改進工藝、升級改造設備，可進一步減少23%～40%的CO2排放。然而，表1的結果顯示，相比一些稀有材料(如鈦)，當前鋼鐵和鋁材生產(chǎn)過程中的能量需求已逼近其熱動力學的極限，因此，對于這些金屬而言，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)了材料效率關注的技術領域，包括減量化、小型化、長壽命、可回收、模塊化、可重構、近凈成形等可持續(xù)設計與制造基本方法，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前生產(chǎn)過程中的能量需求比較

注：標準化學是指在標準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質是節(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)濟性、社會性、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，間接地促進了汽車產(chǎn)品回收利用率的提高，同時，相應降低了材料再利用或能量回收利用過程中的排放強度。這些構成了企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的動力。由此，在分析材料效率時不僅應考慮環(huán)境性，還應將經(jīng)濟性納入其中?；诖丝紤]，上海交通大學可持續(xù)設計與制造課題組對材料效率重新進行了定義，即“通過提高再使用、再利用、回收利用的經(jīng)濟效益并降低其排放強度，在減少材料生產(chǎn)和加工的同時提供相同的材料服務”。

新定義的材料效率可通過數(shù)學公式來表示：

(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)品中材料的質量；D為產(chǎn)品所需求的材料的質量；ms為材料供給的質量，ms=m0+mu+mm+mr+mrov；m0、P0、C0分別為初級礦石供給的材料質量、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)品供給的材料質量、產(chǎn)值和排放；mr、Pr、Cr分別為再利用供給的材料質量、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)結構調(diào)整，降低對鋼鐵、有色、化工、造紙、建材等材料密集型產(chǎn)業(yè)的依賴，實現(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行碳捕集，推行脫碳工藝。

(4)減小mp/D，即通過輕量化設計等可持續(xù)設計方法減少材料輸入。

(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度(單位產(chǎn)值的平均排放)。

報廢汽車的回收處理本質上體現(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，即通過可拆解性設計、可回收性設計、綠色模塊化設計、減類化設計、輕量化設計和生命周期評價等可持續(xù)設計方法減少材料輸入。

(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，提高汽車產(chǎn)品再使用、再制造率。

(3)增大mr/ms，即通過研究機械化破碎、分選工藝，開發(fā)高附加值再利用技術，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，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，即通過技術進步，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)品回收利用關鍵技術

上海交通大學可持續(xù)設計與制造課題組近年來在汽車產(chǎn)品設計生產(chǎn)、回收拆解、破碎分選、再利用/再制造和資源化等環(huán)節(jié)開展了一系列的關鍵技術研究和產(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關鍵因素和對應的措施，本文從汽車產(chǎn)品回收的可持續(xù)設計方法、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)品回收利用率幾個方面來介紹課題組面向材料效率的關鍵技術研究情況，如圖2所示。

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

在綠色設計方面，以乘用車為研究對象，掌握了產(chǎn)品可拆解性設計技術、可再利用性設計技術[8]、零部件綠色供應鏈管理技術，并成功應用于“Lavida/朗逸”車型的設計開發(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，研究了報廢汽車綠色拆解工藝流程，開發(fā)了環(huán)保預處理與深度拆解專用設備，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5萬噸的破碎識別分選處理成套裝備，取得了比較明顯的經(jīng)濟效益，為提升我國報廢汽車回收拆解行業(yè)的水平提供了技術支撐。在再使用率/再制造率的再制造技術方面，研究了一整套適用于發(fā)動機零部件再制造的綠色清潔、質量檢測[14-15]、精度恢復的工藝，開發(fā)了5臺再制造專用設備，在濰柴動力(濰坊)再制造有限公司、康明斯(襄樊)機加工有限公司、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廠再制造等產(chǎn)業(yè)化項目中獲得了應用，為我國汽車零部件再制造行業(yè)提供了技術支撐。

近年來，課題組重點研究了可持續(xù)設計方法的生命周期評價和報廢汽車前景預測分析、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。本文從柴油機生命周期排放評價(life cycle emission analysis, LCEA)、汽車報廢量預測分析、報廢汽車的拆解策略與拆解規(guī)劃、共軌噴油器再制造、動力電池的梯次利用、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研究工作的開展情況。

3.1 柴油機生命周期排放評價

目前，幾乎所有的再制造都是以“再制造產(chǎn)品的性能與質量達到原型新品要求”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)品與當前產(chǎn)品的性能要求差距很大。若只進行原型再制造的環(huán)境影響分析，則不能準確反映再制造活動對環(huán)境的真實影響。以再制造柴油機為例，大部分再制造柴油機仍滿足國Ⅱ、國Ⅲ和國Ⅳ階段排放標準的要求，而我國已經(jīng)開始實施國Ⅴ階段排放標準，因此，應對國Ⅱ、國Ⅲ、國Ⅳ再制造柴油機與國Ⅴ柴油機在全生命周期內(nèi)的污染物排放差異性進行對比分析，以制定在當前排放標準下柴油機生產(chǎn)企業(yè)應采取的再制造策略。

柴油機的生命周期可以分為原材料獲取、坯料生產(chǎn)、零件生產(chǎn)、柴油機裝配調(diào)試、柴油機使用和報廢處理6個階段，見圖3。利用LCEA方法分析國Ⅴ排放標準下再制造國Ⅱ、國Ⅲ及國Ⅳ柴油機在全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響時，需要對比原材料獲取、坯料生產(chǎn)、零件生產(chǎn)和使用等4個階段，并假定在柴油機裝配調(diào)試和報廢處理階段沒有差別。選取同一公司生產(chǎn)的4種不同排放等級的柴油機(表2)，柴油機的性能指標和結構型式都比較接近。此外，LCEA清單數(shù)據(jù)計算中最主要的部分來源于材料生產(chǎn)，而4種型號的材料組成及其重量都比較接近，適合作為對比研究對象進行生命周期排放評價。假設新生產(chǎn)的國Ⅱ、國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ排放標準的柴油機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，并且在對國Ⅱ、國Ⅲ、國Ⅳ柴油機進行原型再制造時獲得相同的環(huán)境效益，通過對比“原型再制造環(huán)境效益+使用階段環(huán)境影響”的差異，可實現(xiàn)在執(zhí)行國Ⅴ排放標準時再制造國Ⅱ、國Ⅲ和國Ⅳ排放標準柴油機的全生命周期環(huán)境影響評價。

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

型號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額定轉速(r/min)2 2002 2001 9001 900最大扭矩(N·m)1 1601 1601 2901 190最大扭矩轉速(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)

對柴油機再制造生命周期評價的研究工作已有很多，本文直接引用相關研究結果作為部分基礎數(shù)據(jù)。劉志超[16]利用E-Balance軟件對WD615.87型柴油機的再制造與原始制造進行生命周期分析，對比了柴油機部分生命周期內(nèi)的能量消耗及污染物排放情況，相關清單數(shù)據(jù)源于中國生命周期基礎數(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。結合使用階段的行駛里程(39.75萬公里[17])和柴油機排放因子可以計算出不同排放標準的柴油機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型柴油機排放的氣態(tài)污染物量

表4 國Ⅱ～國Ⅴ柴油機在使用階段的排放污染物總量

從全生命周期來看(再制造柴油機行駛里程39.75萬公里)：再制造國Ⅱ WD615. 87型柴油機并沒有減少污染物的排放；再制造國Ⅲ WD615. 93E型柴油機也沒有減少污染物的排放；再制造國ⅣD10.29-40型柴油機在原材料獲取、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分析結果表明，當國Ⅱ和國Ⅲ原型再制造柴油機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柴油機進行原型再制造后才可以獲得理想的環(huán)境效益。由此，對于國Ⅱ和國Ⅲ柴油機，不能按照“再制造產(chǎn)品的質量和性能達到原型新品要求”的原則進行再制造，而應采取替代燃料、動力優(yōu)化匹配、優(yōu)化后處理等清潔性升級再制造策略。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，可實現(xiàn)預期的環(huán)境效益目標[18]。

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

3.2 汽車報廢量預測

對未來汽車報廢量變化趨勢的準確預測是目前廣為關注的問題，HAN等[18]把私家車以消費口對待，通過對費用進行線性擬合預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廢回收的統(tǒng)計見表5。

表5 上海市2012～2016年汽車報廢量的分類統(tǒng)計

不同使用性質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廢規(guī)律不一樣。為研究汽車報廢規(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)，結合全國汽車銷售量的走勢和增長率，可以預測我國未來的汽車報廢趨勢，如圖5所示，商用車報廢量的增長速度已減緩并逐漸穩(wěn)定，而乘用車的報廢量還處于快速增長階段。總體上來看，中國汽車報廢量在未來10年是穩(wěn)定增長的趨勢。表6是我國汽車報廢量的具體預測數(shù)據(jù)。

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

3.3 報廢汽車的拆解策略與拆解規(guī)劃

在全球報廢汽車總量達6 000萬的大背景下，世界各國關于環(huán)境法規(guī)的要求越來越嚴格。傳統(tǒng)的以單純追求利潤為目的和以環(huán)境污染為代價的舊拆解模式和工藝已不再適應世界經(jīng)濟和形勢的發(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)劃當前條件下的最佳拆解深度，是報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 中國未來汽車報廢量的走勢Fig.5 The trend of ELV volume in China in the future

表6 我國汽車報廢量預測

(1)考慮中國報廢汽車爆發(fā)性增長的現(xiàn)實和相關法規(guī)對拆解時限的要求，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)當下最關注的還是產(chǎn)能問題。結合手工、半自動化或自動化工具/工裝的節(jié)拍式拆解生產(chǎn)線是應對拆解產(chǎn)能問題的有效解決方法[20-21]。

(2)針對不同車型的不同結構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關注的技術問題,課題組通過拆解試驗可為次序優(yōu)化提供必要的量化數(shù)據(jù)[22]。

(3)將安全氣囊等危險零部件作為環(huán)保預處理中的拆解內(nèi)容，含有重金屬等有害物質和稀貴金屬的零部件作為必拆解零部件且須進行明確分類和貯存，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，對市場熱銷車型設計專用的拆解工裝是提高拆解效率的根本途徑。

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

(1)車輛評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廢車輛采用選擇性拆解或部分拆解。原則上，對于老舊車型常使用選擇性拆解策略；對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)境影響等多個維度，多目標的決策問題使常規(guī)求解方法變得困難。在對所有可行拆解路徑進行規(guī)劃的基礎上，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)督式智能學習算法確定報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格的影響。零配件銷售渠道的不暢和銷售價格的差異性是阻礙報廢汽車拆解企業(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系碾娮由虅掌脚_，是促進再利用零部件市場良性發(fā)展的重要途徑。拆解廠商籍此平臺的價格發(fā)現(xiàn)機制(零配件市場需求、保有量、銷售價格、價格走勢)，對報廢汽車進行最優(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器智能學習基礎上的自動推演，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、提高服務效率。

理想的拆解決策建立在價格發(fā)現(xiàn)的基礎上，見圖6。

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

3.4 動力電池的梯次利用

車用鋰離子動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，如不進行有效處理，會污染土壤和水，并最終危害人類的健康，而鈷、鎳等金屬的回收價值較高，回收利用的經(jīng)濟效益顯著；鋰離子電池電解液中部分有機溶劑(如DME和DMC)具有較低的閃點，處理不當會引起燃燒；鋰電池中作為電解質的六氟磷酸鋰具有極強的腐蝕性，而且遇水會發(fā)生分解產(chǎn)生氟化氫氣體，對環(huán)境和人體造成極大危害。由此，鋰離子動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)化動力來源于對鈷、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)濟價值影響鋰離子動力蓄電池回收利用的經(jīng)濟性。由此，退役磷酸鐵鋰電池可通過作為固定式/移動式儲能裝置進行梯級利用，使其生命周期擴展至電力、可再生能源等多個領域。通過退役車用三元鋰離子動力蓄電池的梯級利用構建儲能設施，可以大幅降低儲能成本。梯次利用將是退役動力電池回收處理中的一個重要環(huán)節(jié)。

(1)退役動力電池的健康狀態(tài)評估方法和壽命預測研究。通過研究分析放電法、內(nèi)阻法和高階極化模型法等評估方法，制定適用于多型號、多狀態(tài)的退役動力電池健康狀態(tài)的評估方法。研究退役動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)，提取表征動力電池衰退的特征參量，綜合運用數(shù)據(jù)挖掘方法，建立基于生命周期運行數(shù)據(jù)監(jiān)控的動力電池梯次利用剩余壽命預測模型和算法。

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

(3)梯次動力電池的再退役與逆向物流相關標準研究。基于生命周期思想，依據(jù)5R模式建立退役動力電池的收集、運輸、儲存等逆向物流標準和規(guī)范，解決退役動力電池在逆向物流各個環(huán)節(jié)的安全處理和信息收集的問題。在綜合考慮儲能系統(tǒng)中梯次利用電池性能參數(shù)衰減情況的基礎上，制定梯次利用電池再退役鑒定標準和報廢處理規(guī)范，合理規(guī)劃再退役動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，在設計、檢測、裝配等核心技術方面存在技術壁壘，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鍵零組件的方式為主進行的。課題組提出了一條符合我國實際情況的共軌噴油器再制造技術工藝路線。

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，各零組件根據(jù)其實際的結構尺寸進行匹配安裝。由于缺乏原型產(chǎn)品的核心技術資料，可再利用零組件的結構尺寸變化極限和配裝參數(shù)匹配原則并不清晰，若隨機匹配安裝，會造成裝配一次成功率低、生產(chǎn)效率低及人工成本浪費，因此，建立了基于AMESim的共軌噴油器性能仿真模型(圖7)，對7個關鍵結構尺寸進行單一結構參數(shù)及關聯(lián)結構參數(shù)影響的敏感性分析，仿真計算出可再利用零組件的結構尺寸變化極限以及配裝參數(shù)的匹配關系。在此基礎上，通過仿真分析同一零組件上的關聯(lián)結構參數(shù)對噴油性能的影響，建立共軌噴油器再制造的零組件配裝參數(shù)匹配原則，通過對各零組件結構參數(shù)進行分級，使不同級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 進油節(jié)流孔直徑-回油節(jié)流孔直徑匹配關系表

3.6 汽車破碎殘余物的能量回收利用

報廢汽車經(jīng)過拆解，回收發(fā)動機、變速箱等零部件后，對余下部分進行壓縮、破碎、分選處理，回收其中的金屬和非金屬材料，剩余細碎的難回收部分，稱為汽車破碎殘余物(ASR)，一般占整車質量的15%～25%，通常作為垃圾直接進行填埋或焚燒。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、電動化和各種新材料的廣泛使用，ASR中塑料、橡膠等有機物比例進一步增加，因此解決ASR的回收處理問題關鍵在于塑料和橡膠。填埋空間不足、填埋成本不斷增加，ASR機械回收和化學回收等方法對技術和設備要求高、經(jīng)濟效益差，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逐漸成為ASR回收處置的主要手段[24]。

表8 進油節(jié)流孔直徑-銜鐵升程匹配關系表

表9 針閥升程-噴孔直徑匹配關系表

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)濟性的高附加值資源化和能源化技術手段，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ASR熱裂解和氣化的基礎研究工作還相對較少[25-27]。課題組以實現(xiàn)ASR的低排放、高附加值資源化和能源化為目標，開展了ASR熱裂解和催化氣化機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性質，進而在很大程度上影響其熱裂解和氣化處理的結果。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氣、液、固體等三類產(chǎn)物的組成成分和產(chǎn)率起著關鍵影響。通過文獻研究，實地調(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比

表11 我國ASR樣品工業(yè)分析與元素分析結果

利用熱分析動力學方法可以確定，在熱裂解和氣化過程中物質的理化性質與溫度之間的關系?；跓嶂胤治龅腁SR及其主要組成成分的熱裂解動力學研究表明，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/氣化試驗表明，反應溫度為900 ℃、燃空比為1.5 mol/kg時，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；而反應后的固體殘余物經(jīng)折算僅占報廢汽車質量的4.5%～5.6%，表明通過ASR的熱裂解和氣化處理，最終實現(xiàn)我國報廢汽車95%的回收利用率是可行的。

針對ASR熱裂解和氣化反應不充分、可燃性氣體產(chǎn)物熱值低等問題，進一步開展了裂解合成氣的催化氣化制氫研究。通過制備ASR氣化反應催化劑，研究不同的水蒸汽/氧/碳比、催化劑、停留時間等反應參數(shù)下，催化氣化合成氣產(chǎn)物的組成和轉化率，并優(yōu)化提高氫氣產(chǎn)率的催化氣化過程參數(shù)，進而提升產(chǎn)氣熱值。

鉛、汞、鎘、六價鉻、多氯聯(lián)苯(PCBs)、多溴聯(lián)苯(PBB)、多溴聯(lián)苯醚(PBDE)等環(huán)境負荷物質在車用材料中廣泛存在。ASR中的重金屬等環(huán)境負荷物質在熱裂解和氣化處理過程中基本都殘留在固體殘余物中。針對固體殘余物中銅、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)等固化劑對重金屬固定效果的研究，結果表明，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行再利用，為最終實現(xiàn)我國報廢汽車的“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構信息，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)境負荷物質的轉化消除機制。

通過開展ASR熱裂解/催化氣化機理及其能源化回收利用方面的研究，為實現(xiàn)ASR能源化技術的開發(fā)提供了基礎理論和方法支持，同時可以實現(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廢環(huán)節(jié)中的材料效率，進而保證我國報廢汽車95%的回收利用率目標得以實現(xiàn)。

4 結論

(1)材料效率的執(zhí)行主體為企業(yè)，在其所有社會責任中，經(jīng)濟責任最為重要，因此，材料效率不僅應考慮環(huán)境性，還應將經(jīng)濟性納入其中。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)濟效益并降低其排放強度，在減少材料生產(chǎn)和加工的同時提供相同的材料服務”。企業(yè)通過技術創(chuàng)新，提高再使用/再制造產(chǎn)品、再生材料的產(chǎn)值和利潤，促進汽車產(chǎn)品回收利用率的提高，同時，相應降低材料再利用或能量回收利用過程中的排放強度，這也是企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的動力。

(2)目前我國的報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)動機、變速箱等高附加值零部件的形式存在，而非單純的原材料，合理處理報廢汽車能帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。上海交通大學可持續(xù)設計與制造課題組在柴油機生命周期排放評價、報廢汽車的拆解策略與拆解規(guī)劃、動力電池的梯次利用、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，進一步闡明了汽車產(chǎn)品回收處理關鍵技術對提高材料效率的意義。

(3)以上海交通大學可持續(xù)設計與制造課題組的研究為實例，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。