面向材料效率的报废汽车回收处理关键技术研究

发布时间：2020-11-04 02:17

　　 我国每年的汽车报废量约为700万辆,与整个欧盟相当,预计到2020年,报废汽车数量将达到1000万辆。在自然资源日趋紧张的形势下,每年的汽车报废将为我国带来超过千万吨的材料资源。尤其值得注意的是,这些材料大多以发动机、变速箱等高附加值零部件的形式存在,而非单纯的原材料。然而,我国汽车产品的报废回收处理环节依然面临着一些问题,例如,报废汽车材料分类不合理;报废汽车拆解工艺不合理;报废汽车拆解破碎残余物难以处理等,这些均严重制约了我国报废汽车行业的可持续发展。本文以报废汽车为研究对象,以提高材料效率为目标,通过可持续设计、深度拆解策略、能量回收利用等关键技术研究,使报废汽车的回收处理不仅满足现行法律法规和经济性的要求,而且能提高环境效益。“减少材料生产和加工的同时提供同样的材料服务”,这是剑桥大学J.Allwood博士对材料效率的原始定义。考虑到企业是材料效率的执行主体,以赢取利润为责任,所以材料效率不仅应考虑环境性,还应将经济性纳入其中。因此,本文对材料效率进行了再定义,即,提高再使用、再利用、回收利用的经济效益和降低排放强度,在减少材料生产和加工的同时提供相同的材料服务。据此,本文提出了面向材料效率的报废汽车回收处理评价体系,明确了汽车产品回收处理关键技术对提高材料效率的意义,确定了通过可持续设计、深度拆解策略和能量回收利用等关键技术研究,提高汽车产品的材料效率。首先,针对报废汽车材料分类不合理的问题,在具体论述可持续设计方法中的绿色模块化设计和生命周期评价的基础上,以报废车用材料为研究对象进行案例分析,以经济属性和环境属性作为材料的相似性指标,采用绿色模块化设计中的DSM-MDL-GGA方法进行模块划分,生成新的聚类模块。聚类后由于同一模块中的材料具有更高的相似性,报废汽车拆解企业可据此对车用材料进行分类处理,从而克服传统分类只依赖于材料的经济性,而忽略其环境属性所带来的问题。另外,聚类结果显示,针对PVC等特定材料,应根据减类化设计的思想,减少其在汽车产品中的使用比重。在以车用发动机为研究对象的案例分析中,以中国投入产出数据为基础,分析了发动机的原型生产、轻量化改进和再制造等三种不同情景下所产生的生命周期能耗及排放,结果表明,在车用发动机“轻量化+再制造”情景下的年平均能耗及排放最低,同时,敏感性分析也指出“钢、铁及其铸件”行业的投入产出数据对该情景下的环境影响最为敏感,从而证明了轻量化技术通过良好的环境属性,能够提高材料效率。其次,针对报废汽车拆解工艺不合理的问题,为确定合理的拆解深度设定五种不同的拆解策略,通过面向材料效率的报废汽车拆解经济和环境属性评价模型,对五种拆解策略进行了经济性和环境性分析。在经济性分析中,构建了包含成本、售价及利润在内的经济性模型,使用模糊层次分析法确定各因素的权重,从而获得各策略中的利润;在环境性分析中,使用GREET模型计算能量消耗及环境排放。综合评价后,类比得出“环保预处理+五大总成+内外饰件+其它”作为策略优化方案。从而在原有的“手工拆解+机械拆解”基础上,提出了符合我国未来发展的报废汽车拆解模式,即“手工拆解+机械化拆解、破碎、分选”,为我国报废汽车拆解企业确定待拆解车辆的最佳拆解深度,避免拆解过程的随意性和破坏性,提高拆解效率和零部件可再使用性,提供理论基础。最后,针对报废汽车拆解破碎残余物难以处理的问题,以塑料保险杠为研究对象,采用热裂解法对其进行处理,探讨了热裂解反应机理及动力学特性,并通过热裂解试验验证了保险杠涂层在热裂解过程中的环境危害性。对保险杠粒子的热重分析表明,PP+EPDM塑料的反应活化能为236.91kJ/mol,其最佳热裂解温度为600℃;热裂解后的焦炭质量仅占总质量的3.17%,从而验证了对报废汽车拆解破碎残余物开展热裂解处理,实现95%的回收利用率目标是可行的。这为解决报废汽车拆解破碎残余物的处理问题、提高材料效率提供了理论基础。本文的研究成果对于提高材料效率、合理处理报废汽车具有重要的理论参考意义和工程实用价值。本文的研究方法和主要结论对于其它机电产品的类似研究也有理论和实践方面的借鉴意义。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X705
【部分图文】：

图 1-1 回 处理的金字塔模型Fig.1-1 The pyramid model of recovery3]指出，目前英国政府力推的 3R （Reduce, Reuse, R 循环经济 最能诠释该金字塔结构。3R原则首先要求源头阶段就考虑可回收性设计，从而为再使用提高材料的分则应尽可能的再使用，既无法减量化又不能再使用的零别是对金属和纸等二次再利用[11]。近年来，随着能量回步成熟，3R逐渐演变成4R，即增加了回收利用（Recov传统的依靠资源消耗的直线增长的经济，转变为依靠资源冯之浚[12]从资源综合利用角度出发，将循环经济定性为低一高 为特征，符合可持续发展的经济增长模式，是对式的根本变革。3R侧重于具体技术手段，循环经济更强会效益，材料效率则集两种方法于一体，在减少材料生产放，从材料角度出发，强调在生命周期内，通过3R等手续发展。

[21]给出了世界范围内各种材料的生产与能源强度分布，如图1-2所示。从图中可看到，许多产量巨大的材料都是低能源强度的材料。在钢材、铝、塑料、纸和水泥等五种材料中，钢材、纸和水泥靠近能源强度的底部。而像铂等贵重金属，则处于能源强度的顶端，这也与表1-1中资源效率的数值相匹配。

[22]综合了各人的研究成果，列出了20种生产方式的电能需求，如图1-3所示。所有方法消耗的电能分布形如曲棍球杆，在球杆底部，分布的几乎都是传统制造方法，比如，机加工、注塑模及用于铸造的金属熔化。而在球杆顶部，看到的几乎都是新的方法，这些方法需要消耗大量的电能。以氧化法为例，该方法能为半导体元器件生产出极薄的氧化硅。整个生产过程需要在高温下进行，因为氧气需要扩散，所以加工过程极其缓慢[23]。顶部另一个高耗能的方法为电火花打孔加工，它通过火花放电的方式进行切割，能为涡轮机叶片制造非常细的冷却通道。球棍中部主要是半导体制造的相关制造工艺，包括溅射法、干蚀刻以及化学气相沉积（CVD）相关的工艺。虽然不是最常用的方法，但这些方法每年依然处理相当可观数量的材料。例如对于电子级硅（EGS）而言
【参考文献】

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本文编号：2869459