机加工零件生产过程碳足迹核算

tony 抄的 柠檬情怀


我国是制造业大国,伴随而来的则是我国的制造企业成了碳排放大户。零件产品生产过程中的碳排放是制造企业碳排放的主要来源,面对碳减排的压力,零件产品低碳制造也成了必然。

零件生产过程碳排放体系结构

   零件的生产过程是一个相对复杂的过程,它的整个工艺流程中涉及到多个加工阶段,其中主要的加工阶段包括毛坯加工阶段、热处理阶段、机械加工阶段以及焊接阶段。

 1)毛坯加工阶段

   毛坯加工阶段是企业在生产制造零件过程中的开始阶段,也是很重要的一个阶段,零件加工后续的零件毛坯都是在毛坯加工阶段制造的。其主要通过锻造和铸造工艺来将原材料加工成后续零件生产的毛坯件。

2)热处理阶段

  零件加工过程的热处理阶段一般是将零件加热到一定温度后保持一点时间,然后进行冷却处理,这个过程不会引起工件的整体化学成分发生变化,但这个过程会使得零件的使用性能变得更好更完善。

3)机械加工阶段

  零件机械加工阶段时零件生产过程中一个非常重要的阶段,这个阶段会比较复杂,会涉及到多台设备以及多道不同的工序。在机械加工时,通过机床设备对零件毛坯件进行机械加工,改变其形状、尺寸等,使其最终成为预期的零件产品。对于机械加工,其主要包括了车削、磨削、钻削等加工工艺。

 4)焊接阶段

   零件焊接是零件加工的一个工艺,但并不是所有零件加工过程中都会涉及到焊接这个过程。

   为了对零件生产过程碳排放有更好的认识,建立了零件碳排放体系结构,如图 2.1 所示。

 


在零件的加工过程中,上述的阶段都是直接与生产相关的,零件在这些生产过程中都会产生碳足迹。但在零件的整个生产过程中,也涉及到了零件产品的车间以及设备的运输,

在零件的运输过程中,运输设备会消耗资源产生一部分碳足迹。还有生产车间内的一些基础设施,比如照明设施、通风设施等的使用,这些也会产生碳足迹,为了使零件生产过程中的碳足迹核算更加准确,应该把这些碳足迹也包含在零件产生的碳足迹里。因此,在后续的零件产品生产过程碳足迹的核算中,应该把以上的各个部分产生的碳足迹都包含在内。在进行零件碳足迹核算时,还需要确定碳足迹的系统核算边界,这保证了核算的准确性。

因此,在零件生产过程碳足迹核算模型中,首先需要确定碳足迹系统边界,其次是对机械加工碳排放、毛坯加工碳排放、热处理碳排放、焊接碳排放、零件运输碳排放以及基础设施碳排放分别建立碳足迹核算模型。

 

零件生产工艺碳排放特性分析

 

以某机械零件的生产过程为例,其工艺生产流程如图2.2

所示。从图中可以看出,零件生产工艺过程中能源的流动或者物料的流动在每一个环节都有涉及到,而这些能源和物料的生产过程都有使用到化石燃料的燃烧,因此,零件生产的每个工艺阶段都会有碳足迹的产生。

 


零件生产过程碳排放源与碳排放系数的确定  

碳排放源的确定

   零件的生产过程即为零件的生产工艺过程,在企业加工生产中,它是一个将原材料通过一定加工手段并最终使之成为可用的产品的过程。实质上,它也是一个输入资源,输出产品,并产生碳排放的过程。因此,零件产品的生产过程,是一个碳排放的过程。目前,PAS 2050、ISO14064 等国际权威标准组织根据生产过程中碳排放的特性,将其分为直接碳排放和间接碳排放。其中直接碳排放是指在生产过程中,每一道工序都会直接由于产品生产而导致的资源消耗导致的碳排放;间接碳排放是指在生产过程中,那些不能直接计入产品生产的间接资源消耗而产生的碳排放。然而,在零件加工过程中,对于碳排放源的定义,不同的人也有不同的分类标准。也有人对碳排放的分类标准提出了不同的意见,比如把零件加工过程产生的碳排放划分为固定碳排放和可变碳排放。其将固定碳排放定义为零件在生产过程中,其碳排放量的产生与生产的零件的数量和种类无关,不随加工的零件的数量和种类变化而变化,比如照明设施、通风设施等;其将可变碳排放定义为零件在加工过程中,其碳排放量与企业中加工的零件的数量和种类密切相关,比如机床设备切削液的使用、设备耗电、润滑油的使用等。

    为了后续在各加工工艺过程的每一道加工工序中计算零件加工过程产生的碳排放量的方便性,将零件加工过程中的碳排放按照其消耗资源的属性,是消耗物料还是消耗能源,将每一道加工工序划分为物料碳排放和能源碳排放。其中物料碳排放是指在零件的加工过程中,每一道工序直接或者间接消耗物料资源产生的碳排放,比如原材料的使用、润滑油的消耗、切削液的消耗等产生的碳排放;而能源碳排放是指在零件的加工过程中,每一道工序直接或者间接消耗能源资源产生的碳排放,比如电能的使用,原煤的消耗,天然气的消耗等产生的碳排放。

对于零件的加工过程,它是由一道或者多道工序构成的。而在其生产过程中,每一道工序都会因为消耗物料或者能源而产生物料碳排放或者能源碳排放。因此,在零件产品的制造过程中,其产生的碳足迹总量就是其在各道工序中产生的碳足迹的总和。零件生产过程的碳排放如下图 2.4 所示。

 


对于图 2.2,其中碳排放指向工序的箭头表示该工序在加工过程中是产生物料碳排放还是能源碳排放,若物料碳排放或者能源碳排放无箭头指向它,则说明在该过程中不产生物料碳排放或者能源碳排放。

  

碳排放系数的确定

   在进行核算零件加工过程中的碳足迹之前,我们首先要明确该零件产品在加工过程中的每一道工序对各种能源以及物料直接或者间接的消耗量,这是我们在碳足迹计算过程中的重要环节。其次我们也需要知道这些因为零件生产而被直接或间接消耗掉的能源和物料的碳排放系数。

 1)能源碳排放系数的确定

   我们把能源的碳排放系数看成是一种能源在其消耗的过程中产生的碳足迹总量与其消耗量的比值,其中包括能源使用过程中的直接碳排放以及能源开采、运输等过程中的间接碳排放。IPCC 对于能源的碳排放系数做了规定,能源在其消耗的过程中其碳排放系数是稳定的。

我国对能源种类的分类主要包括原煤、洗煤、天然气、原油、液化石油气、柴油、汽油、煤油、炼厂干气、热力以及电力等。下图 2.5 为我国的能源系统框架图。

 


根据我国能源系统框架图可知,我国的各级能源可以分为一次能源和二次能源。其中一次能源主要是原油、原煤和天然气,其余为二次能源,而二次能源都是在加工转化一次能源的基础上生产出来的,比如洗煤、汽油、柴油以及焦煤等。电能主要来自于水力发电、火力发电、核反应堆发电以及新能源发电,其中也涉及到二次能源的转化。IPCC 等国际组织也提供了大量的能源或者物料的碳排放系数参考值。然而,这里面有很多的碳排放系数数据并不符合我国的实际值,使用这部分数据不能准确的计算出我们的物料或者能源的碳足迹量,因此,为了得到碳足迹计算的真实准确性,我们不能完全照搬IPCC 提供的碳排放系数值,而是需要找到符合我国实际的碳排放系数值。本文中使用到的电能碳排放系数值参考的是《省级温室气体清单编制指南》中2005 年我国区域电网单位供电平均二氧化碳排放表的数据。其数据如表 2.3 所示。

 


零件生产过程中的其他能源碳排放系数通过查阅相关文献得到,如下表 2.4 所示。

 

 

2)物料碳排放系数的确定

我们把物料碳排放系数看成是在物料的消耗过程中产生的碳足迹总量与物料的消耗总量的比值。在本文的研究中,物料的碳排放系数主要通过查阅相关的文献资料获得。在车间产品的生产过程中,需要使用到的物料多种多样,下表 2.5 和 2.6 给出了一些常见的零件生产过程会使用到的物料碳排放系数。

 


 

零件生产过程中碳足迹核算方法研究

碳足迹系统边界确定

   根据PAS 2050、ISO14064 等相关国际碳足迹标准规定,其将系统边界的确定作为碳足迹定量核算的首要工作,因此,在计算零件产品碳足迹之前,需要先确定系统的碳足迹核算边界。目前,在众多的碳足迹核算研究中,研究者们都是以产品为主要对象,并将产品从“摇篮”到“坟墓”,即从出生到死亡这整个生命周期过程作为系统的碳足迹核算边界。这个过程中会涉及到很多阶段,其中包括原材料的开采阶段、产品的生产制造阶段、产品的运输阶段、产品的使用阶段以及最后产品报废被回收处理阶段,所有这些阶段一起共同构成了零件产品全生命周期的系统边界。这几个阶段又可以分“从摇篮到大门”、“从大门到大门”、“从大门到坟墓”以及“从摇篮到坟墓”的过程。其中,“从摇篮到大门”指的是产品的原材料开采到产品生产的阶段;有些产品的生产过程需要经历多个生产阶段,“从大门到大门”指的是产品从一个生产阶段到另一个生产阶段;“从大门到坟墓”是指当用户使用完产品后进行废弃处理的过程;而“从大门到坟墓”指的是产品从原材料的开采阶段一直到产品的废弃处理阶段。产品的全生命周期过程如图 3.1 所示。

 


从图 3.1 中可以看出,产品的全生命周期过程为从原材料开采经过运输到产品生产阶段,在产品的生产时,可能需要经过许多个生产阶段,然后才生产出一个产品,产品再经过运输到用户使用阶段,最后进行废弃物回收处理。

   对于目前在产品生命周期碳足迹核算过程中产品生产制造阶段碳排放基础数据缺乏以及核算不准确的情况,着重研究零件生产企业中产品车间加工零件过程中的碳足迹排放,为企业节能减排目标提供依据,也为后续学者们计算产品全生命周期碳足迹提供基础数据支持。系统边界是零件生产企业中零件产品的加工全过程。零件生产过程碳足迹系统边界如图 3.2 所示。

 


     从图 3.2 中可以看出,在零件的整个生产过程中,输入物料(包括原材料等)、能源,经过生产过程中各道工序的加工,最终生产出零件产品。在这个过程中,各道工序会直接或者间接消耗物料或者能源资源,还有零件运输设备、基础设施也会消耗能源资源,它们都会产生碳排放。

为了保证零件生产过程中的碳足迹核算的准确性,不考虑以下过程涉及到的碳排放:

1)处理车间内由于产品生产而产生的废弃物所导致的直接或者间接碳排放;

2)人类活动引起的碳排放。

 

零件生产过程中碳足迹核算模型

   机械加工车间在进行零件产品生产加工时,会涉及到多道零件生产工艺的碳排放,按照工艺流程大致可以划分为四种,分别是机械加工碳排放、毛坯加工碳排放、热处理碳排放以及焊接碳排放。其中焊接工艺并不是所有零件生产过程都会涉及到。对于这四种生产工艺的碳排放,它们分别涉及了能源碳排放和物料碳排放中的一种或者两种。

 

机械加工碳足迹核算模型

   对于机械加工工艺,比较常见的有磨削、钻削、刨削、车削以及铣削等加工工艺。机械加工通过这些工艺来直接对毛坯件进行加工,使其形状,尺寸等发生改变,最终成为可以使用的机械零件产品。机械零件在机械加工车间内加工时产生的碳排放,主要分为两类:机床设备的物料碳排放和能源碳排放。其中机床设备的物料碳排放是指机床设备在加工零件过程中对零件原材料的损耗以及切削液、润滑油的消耗产生的碳排放;机床设备的能源碳排放只要是指机床设备在加工零件过程中会消耗电能,从而产生碳排放。

 

 

机械加工碳足迹系统边界

   机床设备在零件加工时,会因为消耗能源和物料而产生碳排放,其碳足迹系统边界如图 3.3 所示:

 


从图 3.3 中可以看出,在零件的机械加工过程中,其消耗的物料主要是原材料、切削液以及润滑油,而消耗的能源主要是电能。在这个过程中,因为物料和能源的消耗,会产生一部分的碳足迹。

   

机床设备加工过程分析

   机床设备是车间零件产品生产过程中的主要设备,虽然机床设备在使用过程中涉及到多种形式能耗,但在本论文研究中只考虑机床设备在产品生产加工时的能源和物料的能耗,不考虑加工工艺等能耗。并对机床设备运行时做以下几点说明:

1)同一台机床设备对所有产品执行相同的加工工序,且在同一时刻只能执行一道产品工序;

2)一道产品工序在固定时刻只能由一台机床设备执行;工序一旦开始执行将不允许中断或者取消;

3)产品在上道工序所用的机床上加工完毕后,可在任意时刻被运输至当前工序所用机床的工位;机床所在工位可容纳无限量的待加工产品;不考虑产品在工序所用机床所在工位间的运输时间;

4)机床设备在其加工第一个产品时启动,机床设备一旦启动,直到加工完毕最后一个产品时才可以关机;

5)不同产品工序间,若机床设备出现空闲,则机床仍要保持待机状态,不允许关机;

6)机床设备加工产品的时间为产品开始加工到加工结束的时间差;

7)不考虑生产过程中的机床设备运行故障和人工操作故障;不考虑产品生产不合格情况。

   典型的机床设备在加工零件时,从启动机床设备到停止机床设备,主要涉及以下几个阶段:待机阶段、启动阶段、空载阶段、加工阶段、空走刀阶段以及停止阶段。

 1) 待机阶段

   机床设备的待机阶段主要包括两部分时间,第一部分时间是机床的主轴和机床液压系统启动前这段时间,第二部分时间是机床设备在加工完一个产品到开始加工下一个产品的这段时间。待机时间的长短主要与第二部分时间有关,如果在机床设备加工产品时,产品与产品进入机床加工的时间间隔较长,则机床设备待机总时间就长,否则,机床设备的待机时间就短。

 2)启动阶段

   启动阶段主要是指机床设备的主轴启动过程,这个过程发生在机床设备主轴空载之前。这个启动过程时间虽然比较短,但是这个过程中机床设备的瞬间功率值却变得很大,因此,在机床设备的主轴启动过程中也会产生很大的能耗。

 3)空载阶段

   机床设备的空载阶段发生在机床主轴启动完成之后,在机床设备进行产品的加工之前,这段时间机床设备的主轴会以设定的转速保持空转。

 4)空走刀阶段

   空走刀阶段是指在主轴空载阶段之后以及加工阶段之前和机床加工过程的间隙,主要是进行对刀、装夹需加工的零件以及快速进给等操作,这个过程的耗时会比较短。

 5)加工阶段

   机床设备的加工阶段是机床设备正式对产品进行生产加工的阶段,这个过程一般来说产生的能耗最多,也会产生一部分的物料消耗。

 6)停止阶段

   机床设备的停止阶段是指机床设备在加工完所有的产品之后,关闭机床的过程。

 

机床设备加工过程能源碳足迹核算模型

   上述分析了车间机床设备加工一个零件的全过程,其主要经历了待机阶段、启动阶段、空载阶段、空走刀阶段、加工阶段以及停止阶段这六个阶段。其中待机阶段第二部分时间、机床加工阶段以及空走刀阶段在机床设备加工每个产品时都会重复涉及到,而其他几个阶段只在机床设备启动和关闭的时候涉及到一次。当机械加工车间的机床设备对零件进行加工操作时,其涉及的每一个阶段都会消耗电能产生碳排放。以下对机床设备零件加工过程中的各个阶段进行能耗建模:

1)机床设备待机阶段能耗

  机床设备待机阶段的能耗主要是用于保持机床设备的正常运转,使得机床设备能够随时进入到加工状态。这部分的能耗主要是机床的外设系统、辅助系统、伺服系统以及控制系统的能耗组成。其中外设系统包括冷却泵、排屑系统以及换刀系统,辅助系统主要是由机床的风扇、照明以及电脑显示系统构成,控制系统主要是变频器,伺服系统主要是控制各个轴的电机。机床设备的待机能耗从机床设备启动到停止这整个过程都存在,其能耗相对稳定,可以测得其稳定时的功率。因此,机床设备在待机阶段的能耗可表示为:

 


2)机床设备启动阶段能耗

  机床设备启动阶段的能耗主要是机床主轴启动过程中产生的能耗,其中的耗能主要是由辅助系统、伺服系统以及变频器的电能消耗构成,因此,这些系统的功率总和就是机床主轴启动功率,就很容易求得该部分能耗。机床设备主轴启动阶段能耗可表示为:

 

3)机床设备空载阶段能耗

  机床设备空载阶段的能耗主要是机床主轴以设定速度进行空转产生的,这部分功率可以通过空转速度来确定。机床设备主轴空转阶段能耗可表示为:

 

 

4)机床设备空走刀阶段能耗

  机床设备空走刀阶段能耗主要是机床设备主轴空走刀产生的,它的功率是在机床设备主轴空载功率的基础之上,再加上机床设备的对刀、装夹以及快速进给的功率。机床设备的主轴空走刀阶段能耗可表示为:

 

 

5)机床设备加工阶段能耗

  机床设备加工阶段能耗主要是机床设备主轴电机的消耗产生的。机床设备的加工阶段能耗可表示为:

 


6)机床设备停止阶段能耗

  机床设备停止阶段的能耗主要是机床设备在生产结束停止这个过程中机床产生的能耗,可表示为:

 


当我们获得产品车间机床设备在生产产品的整个阶段的能耗建模时,则相对应的车间单台机床设备的能耗模型就可以表示为:

 

 

机床设备加工过程物料碳足迹核算模型

   车间机床设备在零件加工过程中,也会消耗一部分的物料而产生碳排放,这部分的物料消耗主要包括零件的原材料的损耗、润滑油的消耗以及切削液的消耗。物料消耗的碳排放模型如下:

1)原材料损耗碳排放模型

  车间机床设备在加工零件过程中,会对零件造成一些损耗,这部分损耗就是原材料的消耗,主要是原材料金属的切屑。该部分损耗的碳排放可以根据损耗的切屑的质量以及材料的碳排放系数来确定,其核算公式为:

 

 

2)润滑油消耗碳排放模型

  车间机床设备在加工零件时,会消耗一部分的润滑油以维持设备正常运转,这部分消耗的润滑油产生的碳足迹计算公式为:

 


3)切削液消耗碳排放模型

  切削液是车间机床设备在加工零件时用来冷却和润滑刀具以及零件的液体,其在使用过程中可以进行一部分回收,但使用久了切削液中就会有很多杂质,这种切削液会影响机械零件的加工,因此,切削液需要定期更换。其损耗也可以转化为碳足迹,计算公式为:

 


毛坯加工碳足迹核算模型

   机械零件都是从最初的毛坯件加工而来的,零件的毛坯加工主要分为锻造和铸造。其中锻造是指利用一定的设备,将原材料通过锻压的手段塑造成想要的外形的一种加工方式;而铸造是指将融化了的金属材料注入到指定的模具中,待其冷却后得到想要的形状的加工方式。锻造比较适用于尺寸较小的工件生产,而铸造则更适用于形状复杂、尺寸较大的工件生产。目前,砂型铸造在零件毛坯加工过程中使用广泛。

1)铸造

  砂型铸造的工艺流程如图 3.4所示。

 

 

铸造过程是一个复杂的过程,但从其产生的碳排放来看,主要是消耗物料和能源产生两部分的碳排放。其中物料消耗碳排放主要是其在生产过程中消耗生铁、硅砂以及粘合剂等物料产生的。而能源碳排放是其在生产中消耗原煤、焦炭、天然气、电能等产生的。该工艺过程的物料碳排放和能源碳排放计算公式分别为:

 

 

2)锻造

锻造过程主要包括下料、加热、制坯、模锻、切边修整等步骤。跟铸造过程相似,锻造过程中也有碳足迹的产生,主要是物料消耗产生的碳足迹和能源消耗产生的碳足迹两部分。其中物料消耗碳排放主要是其在生产过程中消耗钢材、铸铁、铝等物料产生的,而能源碳排放是其在生产中消耗天然气、电能等产生的。该工艺过程的物料碳排放和能源碳排放计算公式分别为:

 

 

热处理碳足迹核算模型

   零件的热处理是机械零件在生产过程中必须经历的过程,它和别的加工工艺存在差别,热处理工艺不会使零件的外形发生变化,它只是通过特定的加热和冷却来改变零件内部的显微组织或者改变零件表面的化学成分,使其使用性能更加完善。零件热处理工艺分类如图 3.5 所示。

 


热处理过程由于是一个需要给零件加热的过程,因此热处理过程中需要消耗大量的资源。在零件进行热处理时,其碳排放主要来自能源消耗的碳排放。热处理工艺的电能消耗可以按照国家标准制定的热处理工艺电能消耗定额计算标来进行换算。在进行热处理的电能消耗计算时,使用基准热处理工艺的电能消耗为基数,并结合不同热处理的条件以及相关统计数据来计算各种热处理工艺的电能消耗。其计算公式为:

 

 

焊接碳足迹核算模型

   如今,为了降低成本,很多大型零件加工都改为了焊接,其中 CO2气体保护焊接使用比较广泛。CO2气体保护焊属于电弧焊的一种,它是利用熔点较低的金属焊丝作为电极,并在焊接过程中使用 CO2 充当保护气体。这种方法在焊接黑色金属的过程中用的很多。使用CO2主要是为了减少热影响区的软化。在进行 CO2气体保护焊接时,其碳排放的产生来自于物料消耗的碳排放和能源消耗的碳排放。其中物料消耗主要是焊丝的消耗,能源消耗主要是各个阶段的电能消耗。其物料碳排放和能源碳足迹核算模型为:

 

 

基础设施碳足迹核算模型

   在机械加工车间零件加工过程中,车间内的基础设施耗能会伴随零件生产加工的整个过程。其中基础设施主要包括车间的照明设施以及通风设施等。这些基础设施的工作过程主要消耗电能,从而产生碳排放。因此,车间基础设施的能耗碳足迹可表示为:

 

 

零件运输碳足迹核算模型 

当机械加工车间零件产品在一台设备上加工完成后,需要进入下一道工序进行加工或者完成加工操作时,需要借助零件运输设备将零件产品运输到指定的地方。其中在机床设备与机床设备之间运输时主要使用传送带进行运输操作,而将零件从库房运送到加工车间或者从加工车间运送到库房,则需要通过叉车设备来运送,本文假设机床设备每次运送零件产品总数相同。零件运输设备均是利用电能工作的,因此,零件产品在运输阶段产生的碳足迹就是其消耗电能产生的碳足迹。

1)传送带碳足迹

 

 

零件生产过程碳足迹核算模型 

在获得了零件生产过程中的机械加工碳足迹、毛坯加工碳足迹、热处理碳足迹、焊接碳足迹、基础设施碳足迹以及零件运输碳足迹之后,将这些生产阶段得到的碳足迹进行汇

总,就得到了零件生产过程产生的总的碳足迹。其碳足迹核算模型为:

 

 


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