我國每年的汽車報廢量約為700萬輛,與整個歐盟相當(dāng),預(yù)計到2020年,報廢汽車數(shù)量將達(dá)到1000萬輛。在自然資源日趨緊張的形勢下,每年的汽車報廢將為我國帶來超過千萬噸的材料資源。尤其值得注意的是,這些材料大多以發(fā)動機(jī)、變速箱等高附加值零部件的形式存在,而非單純的原材料。然而,我國汽車產(chǎn)品的報廢回收處理環(huán)節(jié)依然面臨著一些問題,例如,報廢汽車材料分類不合理;報廢汽車拆解工藝不合理;報廢汽車拆解破碎殘余物難以處理等,這些均嚴(yán)重制約了我國報廢汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文以報廢汽車為研究對象,以提高材料效率為目標(biāo),通過可持續(xù)設(shè)計、深度拆解策略、能量回收利用等關(guān)鍵技術(shù)研究,使報廢汽車的回收處理不僅滿足現(xiàn)行法律法規(guī)和經(jīng)濟(jì)性的要求,而且能提高環(huán)境效益。“減少材料生產(chǎn)和加工的同時提供同樣的材料服務(wù)”,這是劍橋大學(xué)J.Allwood博士對材料效率的原始定義。考慮到企業(yè)是材料效率的執(zhí)行主體,以贏取利潤為責(zé)任,所以材料效率不僅應(yīng)考慮環(huán)境性,還應(yīng)將經(jīng)濟(jì)性納入其中。因此,本文對材料效率進(jìn)行了再定義,即,提高再使用、再利用、回收利用的經(jīng)濟(jì)效益和降低排放強度,在減少材料生產(chǎn)和加工的同時提供相同的材料服務(wù)。據(jù)此,本文提出了面向材料效率的報廢汽車回收處理評價體系,明確了汽車產(chǎn)品回收處理關(guān)鍵技術(shù)對提高材料效率的意義,確定了通過可持續(xù)設(shè)計、深度拆解策略和能量回收利用等關(guān)鍵技術(shù)研究,提高汽車產(chǎn)品的材料效率。首先,針對報廢汽車材料分類不合理的問題,在具體論述可持續(xù)設(shè)計方法中的綠色模塊化設(shè)計和生命周期評價的基礎(chǔ)上,以報廢車用材料為研究對象進(jìn)行案例分析,以經(jīng)濟(jì)屬性和環(huán)境屬性作為材料的相似性指標(biāo),采用綠色模塊化設(shè)計中的DSM-MDL-GGA方法進(jìn)行模塊劃分,生成新的聚類模塊。聚類后由于同一模塊中的材料具有更高的相似性,報廢汽車拆解企業(yè)可據(jù)此對車用材料進(jìn)行分類處理,從而克服傳統(tǒng)分類只依賴于材料的經(jīng)濟(jì)性,而忽略其環(huán)境屬性所帶來的問題。另外,聚類結(jié)果顯示,針對PVC等特定材料,應(yīng)根據(jù)減類化設(shè)計的思想,減少其在汽車產(chǎn)品中的使用比重。在以車用發(fā)動機(jī)為研究對象的案例分析中,以中國投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了發(fā)動機(jī)的原型生產(chǎn)、輕量化改進(jìn)和再制造等三種不同情景下所產(chǎn)生的生命周期能耗及排放,結(jié)果表明,在車用發(fā)動機(jī)“輕量化+再制造”情景下的年平均能耗及排放最低,同時,敏感性分析也指出“鋼、鐵及其鑄件”行業(yè)的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)對該情景下的環(huán)境影響最為敏感,從而證明了輕量化技術(shù)通過良好的環(huán)境屬性,能夠提高材料效率。其次,針對報廢汽車拆解工藝不合理的問題,為確定合理的拆解深度設(shè)定五種不同的拆解策略,通過面向材料效率的報廢汽車拆解經(jīng)濟(jì)和環(huán)境屬性評價模型,對五種拆解策略進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境性分析。在經(jīng)濟(jì)性分析中,構(gòu)建了包含成本、售價及利潤在內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性模型,使用模糊層次分析法確定各因素的權(quán)重,從而獲得各策略中的利潤;在環(huán)境性分析中,使用GREET模型計算能量消耗及環(huán)境排放。綜合評價后,類比得出“環(huán)保預(yù)處理+五大總成+內(nèi)外飾件+其它”作為策略優(yōu)化方案。從而在原有的“手工拆解+機(jī)械拆解”基礎(chǔ)上,提出了符合我國未來發(fā)展的報廢汽車拆解模式,即“手工拆解+機(jī)械化拆解、破碎、分選”,為我國報廢汽車拆解企業(yè)確定待拆解車輛的最佳拆解深度,避免拆解過程的隨意性和破壞性,提高拆解效率和零部件可再使用性,提供理論基礎(chǔ)。最后,針對報廢汽車拆解破碎殘余物難以處理的問題,以塑料保險杠為研究對象,采用熱裂解法對其進(jìn)行處理,探討了熱裂解反應(yīng)機(jī)理及動力學(xué)特性,并通過熱裂解試驗驗證了保險杠涂層在熱裂解過程中的環(huán)境危害性。對保險杠粒子的熱重分析表明,PP+EPDM塑料的反應(yīng)活化能為236.91kJ/mol,其最佳熱裂解溫度為600℃;熱裂解后的焦炭質(zhì)量僅占總質(zhì)量的3.17%,從而驗證了對報廢汽車拆解破碎殘余物開展熱裂解處理,實現(xiàn)95%的回收利用率目標(biāo)是可行的。這為解決報廢汽車拆解破碎殘余物的處理問題、提高材料效率提供了理論基礎(chǔ)。本文的研究成果對于提高材料效率、合理處理報廢汽車具有重要的理論參考意義和工程實用價值。本文的研究方法和主要結(jié)論對于其它機(jī)電產(chǎn)品的類似研究也有理論和實踐方面的借鑒意義。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：X705
【部分圖文】：

圖 1-1 回 處理的金字塔模型Fig.1-1 The pyramid model of recovery3]指出，目前英國政府力推的 3R （Reduce, Reuse, R 循環(huán)經(jīng)濟(jì) 最能詮釋該金字塔結(jié)構(gòu)。3R原則首先要求源頭階段就考慮可回收性設(shè)計，從而為再使用提高材料的分則應(yīng)盡可能的再使用，既無法減量化又不能再使用的零別是對金屬和紙等二次再利用[11]。近年來，隨著能量回步成熟，3R逐漸演變成4R，即增加了回收利用（Recov傳統(tǒng)的依靠資源消耗的直線增長的經(jīng)濟(jì)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽抠Y源馮之浚[12]從資源綜合利用角度出發(fā)，將循環(huán)經(jīng)濟(jì)定性為低一高 為特征，符合可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)增長模式，是對式的根本變革。3R側(cè)重于具體技術(shù)手段，循環(huán)經(jīng)濟(jì)更強會效益，材料效率則集兩種方法于一體，在減少材料生產(chǎn)放，從材料角度出發(fā)，強調(diào)在生命周期內(nèi)，通過3R等手續(xù)發(fā)展。

[21]給出了世界范圍內(nèi)各種材料的生產(chǎn)與能源強度分布，如圖1-2所示。從圖中可看到，許多產(chǎn)量巨大的材料都是低能源強度的材料。在鋼材、鋁、塑料、紙和水泥等五種材料中，鋼材、紙和水泥靠近能源強度的底部。而像鉑等貴重金屬，則處于能源強度的頂端，這也與表1-1中資源效率的數(shù)值相匹配。

[22]綜合了各人的研究成果，列出了20種生產(chǎn)方式的電能需求，如圖1-3所示。所有方法消耗的電能分布形如曲棍球桿，在球桿底部，分布的幾乎都是傳統(tǒng)制造方法，比如，機(jī)加工、注塑模及用于鑄造的金屬熔化。而在球桿頂部，看到的幾乎都是新的方法，這些方法需要消耗大量的電能。以氧化法為例，該方法能為半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)出極薄的氧化硅。整個生產(chǎn)過程需要在高溫下進(jìn)行，因為氧氣需要擴(kuò)散，所以加工過程極其緩慢[23]。頂部另一個高耗能的方法為電火花打孔加工，它通過火花放電的方式進(jìn)行切割，能為渦輪機(jī)葉片制造非常細(xì)的冷卻通道。球棍中部主要是半導(dǎo)體制造的相關(guān)制造工藝，包括濺射法、干蝕刻以及化學(xué)氣相沉積（CVD）相關(guān)的工藝。雖然不是最常用的方法，但這些方法每年依然處理相當(dāng)可觀數(shù)量的材料。例如對于電子級硅（EGS）而言
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2869459