李 靖， 華 林， 郭 巍， 秦訓(xùn)鵬

（1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070）

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)退役乘用車數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，如何有效地處理和利用這些日益龐大的廢棄資源，既是提高退役乘用車回收拆解行業(yè)利潤(rùn)的需要，也是優(yōu)化生產(chǎn)者延伸責(zé)任制下退役乘用車回收再利用體系的需要。

國(guó)外研究學(xué)者針對(duì)報(bào)廢汽車回收拆解與資源化關(guān)鍵技術(shù)的研究，普遍認(rèn)為報(bào)廢汽車回收處理技術(shù)的發(fā)展實(shí)質(zhì)上是一個(gè)殘余廢棄物處理技術(shù)不斷進(jìn)步的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程的主要工作是金屬分類回收和殘余廢棄物的無(wú)害化處理［1－5］。此外，合理高效的汽車破碎分選技術(shù)和零部件拆解回收技術(shù)對(duì)于達(dá)到2015年 ELV（end－of－life vehicle）整車回收指標(biāo)也至關(guān)重要［6］。而對(duì)報(bào)廢汽車回收處理過(guò)程的再利用率與經(jīng)濟(jì)性的分析和評(píng)價(jià)研究，則是在對(duì)現(xiàn)有報(bào)廢汽車拆解破碎技術(shù)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用全生命周期評(píng)價(jià)方法分別對(duì)普遍的報(bào)廢流程和理想化的手工拆卸流程進(jìn)行建模分析，從效用值、效益和成本3個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估分析［7－8］。

我國(guó)對(duì)報(bào)廢汽車處理起步較晚，在報(bào)廢汽車回收處理領(lǐng)域仍處于探索階段，相關(guān)研究人員從零部件再制造的角度，對(duì)廢舊汽車零部件材料循環(huán)再利用的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析［9－10］。

本文在現(xiàn)有報(bào)廢汽車回收拆解技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)國(guó)情設(shè)計(jì)了較完整的退役乘用車回收拆解與資源化工藝流程，建立了基于經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響性相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)模型，并針對(duì)典型退役乘用車回收處理工藝流程進(jìn)行了實(shí)例分析。

1 回收拆解與資源化工藝流程設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜來(lái)源、差異化退役條件下乘用車綠色、高效、深度的回收拆解，控制退役乘用車回收處理過(guò)程中無(wú)價(jià)值廢棄物的產(chǎn)生，結(jié)合我國(guó)國(guó)情和“3R循環(huán)利用——再使用（reuse）、再利用（recycle）、能量回收（recovery）”理念，設(shè)計(jì)了人工輔助半自動(dòng)流水化的退役乘用車回收拆解與資源化工藝流程，主要包括退役乘用車回收、車輛信息管理、拆解系統(tǒng)集成、材料破碎分選和廢料無(wú)害化處理5大部分。退役乘用車回收拆解與資源化工藝流程，如圖1所示。

圖1 退役乘用車回收拆解與資源化工藝流程

1.1 退役乘用車拆解工藝集成

高效合理的退役乘用車拆解工藝對(duì)報(bào)廢汽車零件重用、關(guān)鍵零部件再制造、提高零部件材料回收再利用率、減少報(bào)廢汽車破碎殘留物（ASR）數(shù)量都有著至關(guān)重要的意義。

本文設(shè)計(jì)的退役乘用車回收拆解與資源化工藝流程中拆解工藝集成有拆前環(huán)保預(yù)處理和車輛拆解2個(gè)主要處理環(huán)節(jié)。

（1）拆前環(huán)保預(yù)處理環(huán)節(jié)處于退役車輛回收和深度拆解環(huán)節(jié)之間，主要處理對(duì)象是阻礙拆解工作順利完成或會(huì)產(chǎn)生安全隱患和環(huán)境污染問(wèn)題的物質(zhì)，如安全氣囊、廢棄油液、有毒有害物質(zhì)等，處理工藝路線如圖2所示。其中，安全氣囊作為危險(xiǎn)性組件，根據(jù)其工作原理和產(chǎn)品特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了安全引爆和綠色拆解回收技術(shù)；廢棄油液處理方法是燃油回收再使用、各類車用潤(rùn)滑油再生利用或能量回收；有毒有害物質(zhì)的處理則是以環(huán)境危害最小化為底線，并對(duì)具有回收價(jià)值的物質(zhì)進(jìn)行循環(huán)再利用。

（2）車輛拆解集成技術(shù)方案，主要包括車型識(shí)別技術(shù)、柔性自動(dòng)轉(zhuǎn)載和深度拆解、深度拆解處理工藝，如圖3所示。

在對(duì)目標(biāo)車輛進(jìn)行拆解前，利用車型識(shí)別技術(shù)識(shí)別目標(biāo)車輛的車型信息輸入信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出關(guān)鍵零部件材料相關(guān)信息，確定拆解過(guò)程中定位、轉(zhuǎn)載和拆卸等工序的執(zhí)行程序；再運(yùn)用柔性自動(dòng)轉(zhuǎn)載平臺(tái)完成拆解車輛的輸送和翻轉(zhuǎn)，以滿足深度拆解過(guò)程的需求。

圖2 拆前環(huán)保預(yù)處理工藝

圖3 深度拆解處理工藝

1.2 材料破碎、分選系統(tǒng)

為了進(jìn)一步提高材料回收再利用率，設(shè)計(jì)了材料破碎、分選系統(tǒng)，處理的零部件材料主要為車體、鑄件、車身輕薄料、塑料和其他材料。如圖4所示的退役乘用車材料破碎與分選系統(tǒng)集成方案是在湖北力帝機(jī)床股份有限公司的技術(shù)和產(chǎn)品基礎(chǔ)上，針對(duì)退役乘用車破碎零件材料特性而設(shè)計(jì)的，包括預(yù)碾壓、破碎、磁力分選、電渦流分選和破碎殘留物處理5個(gè)環(huán)節(jié)。

退役乘用車拆解破碎件經(jīng)雙滾筒碾壓破碎工藝線完成對(duì)材料的預(yù)碾壓和破碎（破碎料主要為黑色金屬、有色金屬和非金屬材料3大類），破碎料再經(jīng)加料傳送帶到達(dá)指定的分選工藝線完成材料的分選工作。

分選工藝線根據(jù)3種材料對(duì)磁性的敏感度不同，設(shè)計(jì)了磁性分選工藝方案，將黑色金屬?gòu)能嚿砥扑椴牧现蟹诌x出來(lái)，集中回收；剩余的有色金屬和非金屬材料尾料，利用有色金屬的導(dǎo)電性，設(shè)計(jì)了懸掛式電渦流分選系統(tǒng)，將有色金屬進(jìn)行分離后回收；最后對(duì)剩下不可回收再利用的非金屬殘留物中可燃部分進(jìn)行能量回收，最終的殘余物質(zhì)進(jìn)行無(wú)害化處理。

圖4 退役乘用車材料破碎與分選系統(tǒng)集成方案

2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型分析

2.1 經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響性

退役乘用車回收拆解與資源化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一種“報(bào)廢汽車產(chǎn)品—再生資源—汽車產(chǎn)品—報(bào)廢汽車產(chǎn)品”的物質(zhì)閉環(huán)流動(dòng)過(guò)程，目的是實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約、減廢治污和環(huán)境保護(hù)。因此，評(píng)價(jià)退役汽車回收拆解與資源化過(guò)程的優(yōu)劣，不僅要關(guān)注其經(jīng)濟(jì)性效益，而且必須重視處理過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響。

經(jīng)濟(jì)性效益關(guān)注的是成本與收益問(wèn)題，一方面是零部件和材料回收帶來(lái)的收益，另一方面則是在回收處理過(guò)程中需要付出的處理成本；而環(huán)境影響方面關(guān)注的則是回收處理過(guò)程中的二次污染問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響性均與拆解回收再利用率有關(guān)，回收再利用率越高，表明零部件和材料回收再利用的部分越多，再利用收益越大，當(dāng)作廢棄物進(jìn)行填埋或焚燒處理的零部件和材料越少，退役乘用車回收拆解與資源化過(guò)程的環(huán)境影響越小。但是零部件間存在的一些復(fù)雜聯(lián)接結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)零部件的拆卸回收帶來(lái)困難，為了達(dá)到零部件材料較高回收再利用率的要求，需增加投入成本和人工成本；此外，隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車上大量運(yùn)用了新型復(fù)合材料，質(zhì)輕、高比強(qiáng)度和比模量的復(fù)合材料廢棄物的回收處理成本必然數(shù)倍于傳統(tǒng)汽車材料的回收處理成本。因此，實(shí)現(xiàn)高效可行的報(bào)廢汽車回收再利用，關(guān)鍵在于經(jīng)濟(jì)性成本效益和環(huán)境影響之間的平衡。

本文針對(duì)退役乘用車回收拆解過(guò)程的復(fù)雜性與矛盾性，建立了系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)該過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，該模型有利于實(shí)現(xiàn)退役乘用車回收拆解與資源化工藝過(guò)程經(jīng)濟(jì)效益最大化、環(huán)境影響最小化的目標(biāo)。

2.2 評(píng)價(jià)模型建立的假設(shè)條件與目標(biāo)函數(shù)

本文綜合評(píng)價(jià)模型建立在一定假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行條件約束，模擬一個(gè)完整的回收處理工作流程，并對(duì)工藝流程中各環(huán)節(jié)逐一評(píng)價(jià)分析，通過(guò)目標(biāo)函數(shù)輸出評(píng)價(jià)結(jié)果。

模型假設(shè)退役乘用車回收拆解與資源化過(guò)程的整車質(zhì)量守恒，滿足7輛／h的拆解效率和10萬(wàn)輛／a拆解能力要求（由于拆解、破碎分選效率指標(biāo)難以直接量化納入模型，故化作總工時(shí)假設(shè)約束納入模型）。

退役乘用車報(bào)廢回收時(shí)，車輛整車質(zhì)量M和拆解、破碎總工時(shí)T的假設(shè)約束條件可表示為：

其中，mpi、mdi、m3i、msi分別為拆前環(huán)保預(yù)處理、深度拆解、手工分選和破碎分選過(guò)程中零部件材料回收再利用質(zhì)量；Tp、Td、T3、Ts分別為拆前預(yù)處理、深度拆解、手工分選和破碎分選所需工時(shí)。

模型評(píng)價(jià)結(jié)果的主要影響因素包括車間成本、設(shè)備成本、勞動(dòng)力成本、無(wú)害化處理成本、零部件材料回收利潤(rùn)和環(huán)境影響等。其中，經(jīng)濟(jì)性效益G1由初始成本C0、系統(tǒng)收益P和工時(shí)成本W(wǎng)Tn三者構(gòu)成，即

為了使模型中量綱統(tǒng)一，引入環(huán)境影響價(jià)值因子?i，將環(huán)境影響（如能源消耗、廢物處理、資源節(jié)約、污染防范等）轉(zhuǎn)化為環(huán)境影響的價(jià)值成本，對(duì)系統(tǒng)過(guò)程的環(huán)境影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，可得：

其中，G2為不可再利用材料的無(wú)害化處理過(guò)程對(duì)環(huán)境影響性。

系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型目標(biāo)函數(shù)的輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)G0可表示為：

其中，k為環(huán)境影響系數(shù)（根據(jù)實(shí)際情況而定）；M為退役乘用車整車質(zhì)量。當(dāng)G0＞0時(shí)，表示系統(tǒng)效益良好；而當(dāng)G0＜0時(shí)，則表示系統(tǒng)存在缺陷，需要完善。

3 典型系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型的實(shí)例分析

以某品牌退役乘用車的回收拆解與資源化過(guò)程為例，通過(guò)模擬其工藝路線，對(duì)處理過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

系統(tǒng)處理過(guò)程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和主要零部件符號(hào)信息見(jiàn)表1所列。

表1 系統(tǒng)流程信息表

系統(tǒng)主要建造成本包括600萬(wàn)元／套的柔性自動(dòng)轉(zhuǎn)載輸送深度拆解系統(tǒng)、1 800萬(wàn)元／套的車身材料大規(guī)模高效破碎及識(shí)別分選系統(tǒng)、500萬(wàn)元配套設(shè)施、5 000萬(wàn)元拆解破碎車間和2 000萬(wàn)元回收車間。以10萬(wàn)輛／a的拆解能力和20a設(shè)施使用壽命計(jì)算，平均退役乘用車拆解固定成本CF為：

每輛退役乘用車回收成本Ch為：

Ch＝λ×廢鋼價(jià)格×M，

其中，λ根據(jù)不同地區(qū)實(shí)際情況確定；廢鋼價(jià)格約為2 000元／t；M＝∑mij，為退役乘用車整車質(zhì)量。

以武漢市退役乘用車回收拆解情況為例，退役乘用車回收拆解初始成本C0（元／輛）約為：

C0＝CF＋Ch＝

49.5＋λ×2 000×1.5＝649.5元／輛，

其中，λ取值為0.2，是通過(guò)對(duì)武漢市報(bào)廢汽車回收拆解企業(yè)調(diào)研得知；整車質(zhì)量M按市面上普通轎車質(zhì)量計(jì)，M≈1 500kg＝1.5t。

由于系統(tǒng)模型評(píng)價(jià)分析過(guò)程將會(huì)產(chǎn)生大量的公式數(shù)據(jù)，所以本文分別對(duì)系統(tǒng)中的退役乘用車信息管理、拆解、手工分選和破碎分選環(huán)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)分析，再進(jìn)行綜合分析。

（1）退役乘用車信息管理環(huán)節(jié)。系統(tǒng)運(yùn)行成本為C1，所需工人數(shù)n0＝3人，對(duì)回收拆解及資源化整體系統(tǒng)的利潤(rùn)為ΔP1，對(duì)環(huán)境影響的價(jià)值因子為?1。

（2）拆解系統(tǒng)環(huán)節(jié)。包括拆前環(huán)保預(yù)處理環(huán)節(jié)和深度拆解系統(tǒng)集成，所需工人數(shù)為nP＋nd＝7人，根據(jù)系統(tǒng)拆解能力（10萬(wàn)輛／a）和效率（7輛／h）的設(shè)計(jì)要求，該環(huán)節(jié)的時(shí)間約束條件為：

其中，Tp為拆前預(yù)處理所耗工時(shí)；Td為拆解系統(tǒng)集成所耗工時(shí)。

拆前環(huán)保預(yù)處理環(huán)節(jié)中，處理的零部件材料總質(zhì)量為 Mp＝∑6m1i；總工作時(shí)間為T(mén)p＝T11＋

i＝1T12＋T13；單位質(zhì)量零部件材料回收利潤(rùn)分別為P11、P13、P14、P15；單位質(zhì)量安全氣囊部件無(wú)害化處理成本為CD1；環(huán)境影響價(jià)值因子為?21；單位質(zhì)量有毒有害物質(zhì)無(wú)害化處理成本為CD2；環(huán)境影響價(jià)值因子為?22；拆前環(huán)保預(yù)處理環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型可表示為：

其中，Cp為拆前環(huán)保預(yù)處理環(huán)節(jié)成本；Pp為拆前環(huán)保預(yù)處理環(huán)節(jié)總利潤(rùn)；?p為綜合環(huán)境影響價(jià)值成本；m0＝1kg；W、C1i為單位時(shí)間的人工成本和工具成本；m1i（i＝1，2，…，6）為處理零部件材料質(zhì)量。

深度拆解環(huán)節(jié)中，拆解零件質(zhì)量為m2i（i＝1，2，…，6）；總成本為Wd；工具及其他成本為C2i；可再使用件拆解的利潤(rùn)收益為P21。深度拆解環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型表示為：

（3）手工分選環(huán)節(jié)。需要工人數(shù)n3＝2人，工時(shí)T3＝15min，單位時(shí)間人工成本為W，經(jīng)手工分選后拆解件分類再利用帶來(lái)的利潤(rùn)收益為ΔP2，環(huán)境影響價(jià)值成本為Δ?3m0。

（4）材料高效破碎、識(shí)別和分選環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)是根據(jù)系統(tǒng)的拆解能力和效率配套設(shè)計(jì)，但由于破碎殘留物處理過(guò)程較為復(fù)雜，破碎分選效率僅為拆解效率的1／2。

破碎分選過(guò)程總工時(shí)為：

其中，T4i、T5、T6分別為材料破碎分選環(huán)節(jié)、可再利用廢料處理環(huán)節(jié)和破碎殘留物處理所耗工時(shí)。

該環(huán)節(jié)處理零部件材料總質(zhì)量為Ms＝；總成本Cs、總利潤(rùn)Ps和環(huán)境影響價(jià)值成本分別為：

其中，W、C4i（i＝1，2，3）分別為人工成本和工具成本；所需工人數(shù)為ns＝6人；m61為回收再利用材料質(zhì)量，單位質(zhì)量利潤(rùn)為P51；m62為破碎殘留物能量回收質(zhì)量，單位質(zhì)量利潤(rùn)為P61；環(huán)境影響價(jià)值因子為?4；無(wú)害化處理材料的質(zhì)量為m63；單位質(zhì)量的處理成本為CD4；環(huán)境影響價(jià)值因子為?5。

綜上所述，退役乘用車回收拆解與資源化過(guò)程中，系統(tǒng)約束條件（總質(zhì)量M、總工時(shí)T和工人總數(shù)n）的數(shù)學(xué)模型可表示為：

每輛退役乘用車產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性效益G1等于各環(huán)節(jié)總利潤(rùn)P減去各環(huán)節(jié)總成本C，即

采用環(huán)境影響因子值G2對(duì)環(huán)境影響大小進(jìn)行量化分析，該值越大表示系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的危害越大，數(shù)學(xué)模型表示為：

由（4）式、（10）式和（11）式可得，系統(tǒng)綜合效益分析模型的目標(biāo)函數(shù)輸出的評(píng)價(jià)指標(biāo)G0為：

目標(biāo)函數(shù)（12）式輸出結(jié)果為該退役乘用車回收拆解與資源化工藝流程的評(píng)價(jià)結(jié)果，直觀地反映了該處理過(guò)程的綜合效益好壞。若需提高退役乘用車回收拆解與資源化工藝過(guò)程的綜合效益，可通過(guò)對(duì)模型框架中各環(huán)節(jié)的收益、成本和環(huán)境影響等因素進(jìn)行優(yōu)化分析，從增加回收利潤(rùn)、減少人工成本支出、縮減無(wú)害化處理成本、提高系統(tǒng)效率、控制處理過(guò)程中二次污染問(wèn)題和提高零部件材料再利用率等方面對(duì)該處理過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于目前我國(guó)退役乘用車數(shù)量龐大、來(lái)源復(fù)雜、零部件材料類型多樣，本文設(shè)計(jì)了退役乘用車回收拆解與資源化工藝流程，對(duì)提高報(bào)廢資源的循環(huán)利用率、減少汽車廢棄物對(duì)環(huán)境的影響都具有一定意義。為了協(xié)調(diào)退役乘用車回收處理過(guò)程中經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境污染之間矛盾，建立了經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響性相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)報(bào)廢汽車回收處理工藝流程的決策具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，最終目標(biāo)是在充分利用報(bào)廢汽車各零部件材料的再生價(jià)值前提下，優(yōu)化退役乘用車回收拆解與資源化工藝流程，使經(jīng)濟(jì)效益最大化、環(huán)境污染最小化，為報(bào)廢汽車回收拆解與資源化過(guò)程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化提供理論基礎(chǔ)。

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