基于AHP-FCE的電子電氣產(chǎn)品可再生ABS能效評估模型構(gòu)建

司念朋 肖海清 李燾，2 宗藝晶，2 郭興洲，2 王宏偉*

（1.中國檢驗檢疫科學研究院 北京 100176；2.國家市場監(jiān)督管理總局消費品風險評估中心）

1 前言

隨著科技的高速發(fā)展，電子電氣產(chǎn)品逐漸進入社會生活的各個領(lǐng)域，其更新?lián)Q代速度不斷加快、生命周期不斷縮短，廢棄產(chǎn)品數(shù)量及其產(chǎn)生的可再生資源量均呈指數(shù)式增長[1-2]。電子電氣產(chǎn)品可再生資源（Renewable Resources from Electronic and Electrical Products），包括可回收利用的塑料和有價金屬等，因其具有高增長性、高價值性和高污染性，在全球范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注[3-4]。其中，塑料約占其總重量的20%～25%[4]，是重要的可再生資源。

2 電子電氣產(chǎn)品可再生ABS顆粒

丙烯氰-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrilebutadiene-styrene，ABS）是一種綜合性能優(yōu)異的熱塑性工程塑料，具有良好的抗沖擊性、耐熱性和耐低溫性，廣泛應用于電子、汽車、建筑等領(lǐng)域，常作為電子電氣產(chǎn)品外殼、結(jié)構(gòu)件部件的重要材料。

對電子電氣產(chǎn)品中ABS材料的回收，常用的是物理機械法、有機溶劑回收法和擴鏈增粘法。在回收之后，由于實際應用對材料的要求不同，還需要根據(jù)實際用途對ABS進行改性，使其滿足使用要求，通過復雜工藝生成可再生ABS，常見方法有填充改性、高聚物共混改性、抗熱氧老化改性等。

在ABS再生應用中，除能夠再生應用的粒子外，其余粒子均需經(jīng)過加工才能夠達到使用要求。結(jié)合研究需要，本文以再生ABS共混改性加工應用為例，選擇經(jīng)過改性造粒的工藝路徑作為技術(shù)路徑對象，即無論來源如何，對于此類已經(jīng)獲得的再生ABS顆粒，需要經(jīng)過特定的共混改性過程，并在一定的工序條件下獲得改性再生ABS顆粒。根據(jù)課題研究中上述設定的共混改性過程分析和工藝控制，選擇改性造粒的工藝路徑，再生ABS共混改性加工應用基本工序流程見圖1。

圖1 電子電氣產(chǎn)品可再生ABS顆粒共混改性加工基本工序流程圖

通過對電子電氣產(chǎn)品可再生ABS再生過程進行物質(zhì)流分析，將其邊界界定為ABS運輸與改性造粒的整個過程，將全過程涉及到的物質(zhì)劃分為原料、損耗、廢棄物、產(chǎn)品，見圖2。

圖2 電子電氣產(chǎn)品可再生ABS再生過程物質(zhì)流分析圖

（1）原料：ABS再生過程中所需的原料主要有水、電、煤、再生ABS顆粒、化學藥品等。柴油、汽油、電等能源物質(zhì)，通常用于再生ABS顆粒的運輸環(huán)節(jié)；水、電、煤等能源物質(zhì)，通常用于帶動改性造粒設備，提供改性ABS顆粒環(huán)節(jié)所需的能量，同時水也可作為溶劑、洗滌液等。再生ABS顆粒是改性造粒的主體原材料，在改性過程中需添加抗氧劑等其他化學品。

（2）損耗：ABS再生環(huán)節(jié)存在難以避免的損耗，投入生產(chǎn)環(huán)節(jié)的物質(zhì)原料均會存在一定的損耗。通常會對ABS再生環(huán)節(jié)產(chǎn)生的損ABS顆粒進行再次處理，使其進入ABS再生過程環(huán)節(jié)。圖中提到的物質(zhì)損耗是指不再進行處理環(huán)節(jié)的物質(zhì)損耗。

（3）廢棄物：再生ABS顆粒改性過程中產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物主要有：廢水，主要包括再生ABS顆粒改造過程中產(chǎn)生的廢水，改性過程中混料、熔融、破碎和污泥處理時的濾液，系統(tǒng)中的多余白水；固體廢物，主要包括大塊廢塑料等在改性過程中分離出的廢塑料，廢水處理產(chǎn)生的污泥；廢氣，包括再生ABS顆粒改性過程中產(chǎn)生的粉塵，其成分因改性助劑和其他添加物的種類及質(zhì)量不同而各異。這些有害副產(chǎn)物必須進行相關(guān)處理，達到國家標準后才可排放，且部分廢棄物需要使用專門的工藝流程進行處理，還有部分廢棄物可以作為燃料使用，但對燃燒后殘余或產(chǎn)生的新廢物需要再次進行處理。

（4）產(chǎn)品：改性ABS顆粒是企業(yè)進行ABS再生的目標產(chǎn)物，企業(yè)根據(jù)自身規(guī)模及設備等，選擇使用再生ABS顆粒生產(chǎn)成改性ABS顆粒。ABS再生過程中也會產(chǎn)生電、高溫蒸汽等副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)品可以繼續(xù)用于ABS顆粒的再生工藝流程，也可以外售。

3 AHP-FCE模型

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是在20世紀70年代，由美國運籌科學家A.L.Seaty在為美國國防部研究“根據(jù)各個工業(yè)部門對國家福利的貢獻大小而進行電能分配”課題時提出的，是將與決策相關(guān)的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進行定性與定量相結(jié)合的決策方法[5-7]。其基本思路是將問題分為相互關(guān)聯(lián)的不同層次，之后在上一層準則下，將本層不同元素進行兩兩比較，得出比較判斷矩陣，再根據(jù)其確定各個指標的權(quán)重。

模糊綜合評價法（Fuzzy Comprehensive Evaluation，F(xiàn)CE）是一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法，是根據(jù)模糊數(shù)學的隸屬度理論，將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價，其具有數(shù)學模型簡單，容易掌握，對多因素、多層次的復雜問題評判效果好的優(yōu)點，適用于各種非確定性問題的解決。該方法主要有2個步驟；按照每個因素進行單因素評判；按照所有因素進行綜合評判[8-11]。

將層次分析法和模糊綜合評價法相結(jié)合，以構(gòu)建評價模型，能夠充分發(fā)揮2種評價方法的優(yōu)勢，并互相彌補不足。運用該模型進行評價，可以獲得多方面的評價結(jié)果，有效處理評價中存在的模糊性問題，使評價結(jié)果更具說服力[12-14]。

4 電子電氣產(chǎn)品可再生ABS能效評估模型構(gòu)建

4.1 單位產(chǎn)量能耗、單位產(chǎn)值能耗和單位投入能耗的計算

ABS再生顆粒的水、電能、柴油的單位產(chǎn)量能耗，可用生產(chǎn)過程中的能耗與ABS顆粒的總質(zhì)量比較得出：

式中：η水——生產(chǎn)1噸ABS顆粒所需要的水；M水，總輸入——各生產(chǎn)環(huán)節(jié)輸入水的總質(zhì)量；M水，總輸出——各生產(chǎn)環(huán)節(jié)輸出水的總質(zhì)量；MABS顆粒——ABS顆粒的總質(zhì)量。

式中：φ——參差系數(shù)，一般取0.8～0.9；Ki——用電設備的需要系數(shù)；Pi——用電設備的裝機容量；t——每天工作的時間；G產(chǎn)量——日產(chǎn)量；p產(chǎn)量——生產(chǎn)1噸ABS顆粒所消耗的電能。

式中：M——運輸所消耗的柴油量。

同理可得ABS再生顆粒的水、電能、柴油的單位產(chǎn)值能耗和單位投入能耗。

4.2 單位產(chǎn)量綜合能耗、單位產(chǎn)值綜合能耗和單位投入綜合能耗的計算

單位產(chǎn)品綜合能耗為：

式中：E產(chǎn)量——單位產(chǎn)量綜合能耗；ei——生產(chǎn)1噸ABS顆粒消耗的第i種能源實物量或耗能工質(zhì)；pi——第i種能源的折算系數(shù)。

依據(jù)GB/T 2589-2020綜合能耗計算通則，將水、電能、柴油分別按其折算系數(shù)折算為標準煤，水：0.257 1 kgce/t，電能：0.122 9 kgce/（kW·h），柴油：1 457.1 kgce/t[15]。

同理可得單位產(chǎn)值綜合能耗E產(chǎn)量、單位投入綜合能耗EABS顆粒。

4.3 隸屬度函數(shù)

能耗指標屬于定量指標，其量化主要根據(jù)指標所對應的隸屬度函數(shù)，能耗與能效是負相關(guān)關(guān)系，即指標量化值越小，能效越高。假設所在年單位產(chǎn)量能耗的最大值為Wamax，最小值為Wamin，即單位產(chǎn)量能耗處于[Wamin，Wamax]區(qū)間內(nèi)，則其隸屬度函數(shù)為：

同理可得單位產(chǎn)值綜合能耗隸屬度函數(shù)f（Wb），單位投入綜合能耗隸屬度函數(shù)f（WC）。

4.4 基于層次分析法的指標權(quán)重賦值

本文基于層次分析法，計算能效評估各指標的權(quán)重，運用專家打分法，構(gòu)建同層級指標的判斷矩陣，邀請1位定位專家對各指標進行打分，構(gòu)建判斷矩陣，見表1。

表1 能效下指標判斷矩陣

運用方根法計算指標權(quán)重，權(quán)重計算如下：

故w'=（w1'+w2'+w3'）T，將其進行歸一化處理，得到：w=（w1+w2+w3）T，該向量即為能效下設一級指標相對于能效的權(quán)重。根據(jù)公式對該判斷矩陣進行一致性比率計算，通過一致性檢驗后，可得到能效評估指標權(quán)重，見表2。

表2 能效評估指標權(quán)重

4.5 能效評估模型

綜合上述計算和模型，對單位產(chǎn)量能耗、單位產(chǎn)值能耗和單位投入能耗進行綜合考慮，模型如下：

式中，Wa，Wb，Wc分別為單位產(chǎn)量能耗、單位產(chǎn)值能耗和單位投入能耗的指標賦值，據(jù)“4.1”至“4.3”計算推導得出；ω1，ω2，ω3分別為單位產(chǎn)量能耗、單位產(chǎn)值能耗和單位投入能耗的指標權(quán)重，據(jù)“4.4”計算推導得出。

5 電子電氣產(chǎn)品可再生ABS利用的問題與對策

（1）電子電氣產(chǎn)品可再生ABS監(jiān)管難度較大，科學評估方法較為匱乏。我國發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、提高資源利用效率和再生資源利用水平的需求十分迫切，環(huán)境標準的要求日益提高，建議監(jiān)管部門應用和推廣科學的評估方法。本文研究的電子電氣產(chǎn)品可再生ABS能效評估模型實用性較強，能夠為監(jiān)管部門的執(zhí)法提供科學依據(jù)。

（2）ABS等塑料可再生利用相關(guān)國家政策宣傳不足，先進的生產(chǎn)和回收利用技術(shù)的運用不足。行業(yè)學會、協(xié)會等組織應主動在各平臺特別是網(wǎng)絡信息宣傳平臺，對相關(guān)政策進行大力宣傳，及時發(fā)布國內(nèi)塑料回收利用企業(yè)的先進生產(chǎn)技術(shù)和管理經(jīng)驗。

（3）電子電氣產(chǎn)品可再生ABS回收率和利用率不高。電子電氣產(chǎn)品拆解和提取過程較為復雜，其可再生資源對技術(shù)水平和環(huán)保要求均較高，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，應當對其從簡單的回收利用逐步向高值化利用發(fā)展，結(jié)合國家經(jīng)濟發(fā)展趨勢，研究制定切合實際的產(chǎn)業(yè)、稅收、科研等政策，形成資源循環(huán)利用和節(jié)約使用的經(jīng)濟機制和社會共識，鼓勵和支持生產(chǎn)企業(yè)積極利用可再生塑料資源，大力推動相關(guān)的科學研究和開發(fā)利用。

（4）積極推動生產(chǎn)企業(yè)綠色設計、綠色制造，在產(chǎn)品設計和生產(chǎn)過程中，充分考慮產(chǎn)品的回收利用。同時，健全生產(chǎn)者責任延伸制度（Extended Producer Responsibility），充分發(fā)揮生產(chǎn)者在回收利用中的作用，引導并規(guī)范生產(chǎn)企業(yè)與回收企業(yè)、電商平臺共享信息。