摘要：在雙“碳”目標(biāo)的背景下，對(duì)機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的碳排放量化是制造業(yè)節(jié)能減排的基礎(chǔ)前提。針對(duì)汽車變速器齒輪加工過程中的碳排放定量計(jì)算問題，該文采用碳排放系數(shù)法，對(duì)生產(chǎn)車間的碳排放源頭進(jìn)行了分析，并規(guī)定了齒輪加工碳排放核算邊界，并在該范圍內(nèi)對(duì)加工設(shè)備、輔助設(shè)備和外圍設(shè)備消耗的物料和能源進(jìn)行工藝分析，得到一份碳排放清單。最后對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行計(jì)算，得出電能消耗的碳排放占比約49%，是節(jié)能減排的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

　　面對(duì)氣候變暖這一重大全球性問題，目前已有 127 個(gè)國家承諾到 2050 年甚至更早實(shí)現(xiàn)零碳排放，中國也提出了雙“碳”目標(biāo)(即 2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo))。該目標(biāo)的提出推進(jìn)了各行各業(yè)加速邁向綠色、低碳、經(jīng)濟(jì)和可循環(huán)的發(fā)展道路，但節(jié)能減排的前提是碳排放的核算問題，因此不少學(xué)者提出了不同的碳排放計(jì)算方法。

　　李聰波等人基于廣義邊界研究了機(jī)械加工系統(tǒng)碳排放量化方法;李愛平等人運(yùn)用遺傳算法對(duì)孔加工模型進(jìn)行了低碳優(yōu)化求解;周光輝等人從材料、能源和廢棄物 3 個(gè)方面分析了零件加工過程的碳排放，設(shè)計(jì)了生產(chǎn)過程中的三維能源模型;Tseng 等人基于成本分析建立了制造業(yè)可持續(xù)供應(yīng)鏈的碳排放決策模型。

　　基于上述國內(nèi)、外對(duì)碳排放計(jì)算方法的研究，該文提出了針對(duì)齒輪加工過程的碳排放量化模型，將車間碳排放源分為物料消耗、能源消耗和廢物處理，以此確定齒輪加工過程的碳排放核算邊界，并整理出碳排放清單。最后通過實(shí)際案例，將實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)代入計(jì)算模型，分析某汽車變速器齒輪加工過程的碳排放量和占比結(jié)構(gòu)。

　? ? 一、齒輪加工過程的碳排放分析

　　齒輪加工過程的碳排放源識(shí)別

　　齒輪是典型的機(jī)械加工產(chǎn)品，通過車削、鉆孔和熱處理等一系列制造工藝將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品。在整個(gè)齒輪加工過程中，能源消耗是主要的碳排放來源，但涉及的工序煩雜、能源種類較多且消耗量大，因此齒輪機(jī)械加工過程中的碳排放具有多源性、層次性和動(dòng)態(tài)性等特征。其中齒輪加工涉及的能源可分為 3 類：一次能源(可從自然界直接獲取并使用的，如風(fēng)能、水能、煤、石油和天然氣等)、二次能源(由一次能源經(jīng)過化學(xué)或物理轉(zhuǎn)化得到的資源，如電能、蒸汽等)以及耗能工質(zhì)(在生產(chǎn)過程中不做原料使用也不進(jìn)入產(chǎn)品，制取時(shí)卻消耗能源的工作物質(zhì)，如水、氧氣等)。

　　在齒輪制造過程中，能源主要以機(jī)械設(shè)備、設(shè)施為消耗主體，能耗產(chǎn)生的碳排放一般來自加工設(shè)備、輔助設(shè)備和外圍設(shè)備。

　　加工設(shè)備

　　齒輪加工所用機(jī)械加工設(shè)備包括滾齒機(jī)床、銑床、插床和刨齒機(jī)，這些設(shè)備進(jìn)行磨齒、車削、鉆削、銑削、刨削以及插削等工藝時(shí)，會(huì)消耗電、氣、油等能源，從而產(chǎn)生碳排放。

　　輔助設(shè)備

　　輔助設(shè)備博阿凱自動(dòng)小車、傳送帶、吊車、叉車和機(jī)械手等，是給加工活動(dòng)提供裝卸、運(yùn)輸?shù)容o助功能的設(shè)備，主要消耗的能源是電能。

　　外圍設(shè)備

　　外圍設(shè)備指能為生產(chǎn)過程和儲(chǔ)存等提供照明、通風(fēng)和粉末吸取等功能的裝置設(shè)施，如燈、工業(yè)風(fēng)扇等，一般消耗的能源是電能。

　　齒輪加工過程中，除了能源消耗會(huì)產(chǎn)生碳排放外，物料的使用也會(huì)產(chǎn)生碳排放。生產(chǎn)所需的物料包括原材料、刀具、模具、切削液和冷卻液等，因此齒輪加工過程中的碳排放源可分為能源消耗和物料消耗 2 種。但根據(jù)生產(chǎn)過程特性的不同，物料和能源消耗時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳還可分為直接碳排放和間接碳排放。直接碳排放主要由燃燒型能源在燃燒活動(dòng)中直接產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體或反應(yīng)構(gòu)成，然而實(shí)際上，生產(chǎn)加工中間接產(chǎn)生的碳排放更常見，如電能使用、原材料消耗和刀具磨損等。齒輪機(jī)械加工過程的碳排放來源分類如圖 1 所示。

　　碳排放的核算邊界模型

　　汽車變速器的齒輪加工過程是一個(gè)將物料與能源輸入經(jīng)過加工設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)樗璁a(chǎn)品及廢棄物輸出的機(jī)械加工系統(tǒng)，不同的加工工藝會(huì)導(dǎo)致碳排放結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異。雖然已識(shí)別出齒輪加工過程中的碳排放源來自以加工設(shè)備、輔助設(shè)備、外圍設(shè)備為消耗主體的物料和能源消耗，但考慮整個(gè)機(jī)械加工系統(tǒng)的運(yùn)行涉及上、下游生產(chǎn)活動(dòng)較廣(上游包括能源開采、原材料采購運(yùn)輸?shù)?下游包括產(chǎn)品供應(yīng)出庫等)，因此需要建立齒輪加工過程的碳排放邊界模型，確定好需要核算的范圍。

　　齒輪加工過程的碳排放邊界模型以加工設(shè)備碳排放為中心，將齒胚、輔助材料、能源投入設(shè)備進(jìn)行加工活動(dòng)的碳排放劃為左邊界，產(chǎn)出的產(chǎn)品入庫活動(dòng)的碳排放為右邊界，生產(chǎn)活動(dòng)涉及的輔助和外圍設(shè)備碳排放為上邊界，加工作業(yè)產(chǎn)生的廢液、廢屑和廢氣等廢棄物處理碳排放為下邊界，并從能量流、物料流、廢物流的“三流”足跡來分析整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放。通過將核算范圍內(nèi)的各環(huán)節(jié)直接或間接引起的碳排放因素進(jìn)行換算來實(shí)現(xiàn)碳排放的量化計(jì)算。齒輪加工過程碳排放邊界模型如圖 2 所示。

　　能量流

　　能量流過程的碳排放多為電能或燃料消耗所產(chǎn)生，這部分的核算需要考慮實(shí)際加工工藝和加工設(shè)備的功能差異，因此能量流的碳排放核算邊界主要為齒輪加工過程中間接產(chǎn)生的能量消耗。

　　物料流

　　物料主要包括齒胚原材料、刀具等輔助材料，其流動(dòng)隨著的碳排放存在于生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)中，不僅包括生產(chǎn)中的原材料消耗、刀具磨損和切削液消耗，還包括返修、工序間運(yùn)輸?shù)确窃鲋档奶寂欧拧?/p>

　　廢物流

　　加工產(chǎn)生的廢氣、廢屑和廢水等廢棄物需要經(jīng)過達(dá)標(biāo)處理才可以排放和回收利用，而處理過程中產(chǎn)生的碳排放也需要?jiǎng)澰谡麄€(gè)核算邊界中。

　　碳排放核算清單

　　劃定好需要核算的范圍后，還需要具體分析“三流”中產(chǎn)生碳排放的因子，即消耗的物料和能源。為了避免重復(fù)計(jì)算，下文將分析加工設(shè)備、輔助設(shè)備和外圍設(shè)備的碳排放情況，并列出核算邊界模型中的碳排放核算清單。

　　加工設(shè)備

　　齒輪加工的設(shè)備主要是數(shù)控滾齒機(jī)，其加工流程如圖 3 所示。齒胚投入機(jī)床加工，并進(jìn)行車削鉆孔、滾齒、磨齒和熱處理等作業(yè)過程中消耗的能源主要是電能、天然氣，所用物料包括以 20CrMnTiH 為原材料的齒胚、刀具和切削液輔助材料。

　　輔助設(shè)備

　　輔助設(shè)備能耗主要分析與生產(chǎn)活動(dòng)相關(guān)的輔助活動(dòng)產(chǎn)生的能耗特征，而在該文劃定的核算邊界中，加工過程需要的輔助功能是運(yùn)輸。齒胚投入生產(chǎn)需要搬運(yùn)到機(jī)床上，產(chǎn)品檢驗(yàn)合格后運(yùn)輸?shù)絺}庫進(jìn)行存放，而工廠里主要使用的運(yùn)輸設(shè)備是自動(dòng)小車。自動(dòng)小車是一種可周期性替換電池供電的設(shè)備。因此該文的輔助設(shè)備使用的能源是電能，運(yùn)輸過程中無物料消耗。

　　外圍設(shè)備

　　齒輪加工的外圍設(shè)施主要涉及照明、通風(fēng)的功能，因此外圍設(shè)備主要包括工業(yè)通風(fēng)裝置和照明裝置，均以電能為消耗能源，并無物料消耗。在車間的一定工作條件下，該文外圍設(shè)備為生產(chǎn)提供合適環(huán)境所消耗的電能基本是穩(wěn)定的。

　　廢物處理

　　在機(jī)械加工過程中，經(jīng)過切削鉆孔等工藝后物料會(huì)發(fā)生損耗，變成廢棄物，能源經(jīng)過物理或化學(xué)轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生廢水、廢氣及固體廢棄物。這些廢物必須進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后才能排放和回收利用，因此在處理環(huán)節(jié)中會(huì)消耗電能和少量化石能源。

　　結(jié)合上述分析，將各部分涉及的物料和能源進(jìn)行整理，便可得到一份齒輪加工過程的碳排放核算清單，見表 1。

　　二、齒輪加工過程碳排放量化方式與計(jì)算模型

　　碳排放的量化計(jì)算方式一般有 3 種，即實(shí)際測量法、質(zhì)量平衡法和排放系數(shù)法。實(shí)際測量法通過在煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)中搭載碳排放監(jiān)測模塊，直接測量碳排放量。質(zhì)量平衡法的原理是碳守恒，因此更適合涉及化學(xué)工藝的碳排放核算。根據(jù) IPCC 提供的碳核算基本方程對(duì)碳排放系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，該方法是一種成熟且應(yīng)用廣泛的碳排放計(jì)算方法。根據(jù)碳排放清單列表，將活動(dòng)數(shù)據(jù)和碳排放系數(shù)的乘積作為該排放源的碳排放量值。其中，活動(dòng)數(shù)據(jù)可通過實(shí)際調(diào)查和監(jiān)測得到，碳排放系數(shù)來源于有關(guān)國家規(guī)范、專業(yè)研究機(jī)構(gòu)報(bào)告以及國際的碳排放數(shù)據(jù)庫等。

　　因此，選擇碳排放系數(shù)法更適合齒輪加工過程的碳排放核算，結(jié)合 IPCC 提供的計(jì)算原理和上文分析的碳排放來源，該齒輪加工過程的碳排放總量計(jì)算模型如公式(1)所示。

　　式中 ：C 是齒輪加工過程的碳排放總量 ;C_m 是物料消耗產(chǎn)生的碳排放量 ;C_e 是能源消耗產(chǎn)生的碳排放量 ;C_w 是廢棄物處理環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的碳排放量。

　　物料消耗產(chǎn)生的碳排放計(jì)算分析

　　齒輪加工涉及的物料包括齒胚原材料、刀具和切削液，因此物料消耗產(chǎn)生的碳排放總量計(jì)算模型如公式(2)所示。

　　式中 ：C_mt 是原材料消耗產(chǎn)生的碳排放量 ;C_tool 是刀具損耗產(chǎn)生的碳排放量 ;C_coolant 是切削液消耗產(chǎn)生的碳排放量。

　　原材料碳排放

　　在機(jī)械加工中，原材料消耗為根據(jù)工藝規(guī)格切除的多余物料，該多余部分會(huì)間接產(chǎn)生碳排放。根據(jù)上文規(guī)定的核算邊界，齒輪加工過程中的原材料碳排放量是以切除帶來的碳排放為計(jì)算主體的。原材料碳排放計(jì)算模型如公式(3)所示。

　　式中 ：M_mt 是原材料切除量;CEF_mt 是原材料碳排放系數(shù)。

　　刀具碳排放

　　在制造加工過程中，刀具自身的磨損也會(huì)產(chǎn)生直接和間接的碳排放，但實(shí)際上直接碳排放量較少，可忽略不計(jì)。因此計(jì)算刀具碳排放時(shí)主要考慮的是刀具制備過程中產(chǎn)生的碳排放在使用過程中的分?jǐn)?，即采用時(shí)間折算分配法來計(jì)算刀具碳排放，計(jì)算模型如公式(4)所示。

　　式中 ：M_tool 是刀具質(zhì)量;CEF_tool 是刀具的碳排放因子;T_tool 是刀具壽命(T_tool=N+1，N 為使用次數(shù));t_c 是使用時(shí)間。

　　切削液碳排放

　　齒輪加工中使用的切削液一般為水基切削液，可起到冷卻、潤滑和去屑等輔助作用，在使用過程中是間接產(chǎn)生碳排放的，并且切削液有較長的更換周期。因此計(jì)算時(shí)也采用時(shí)間折算分配法，即加工使用時(shí)間總和與更換周期的比值來計(jì)算。計(jì)算模型還包括切削液廢棄后處理產(chǎn)生的碳排放(避免在廢棄物處理階段重復(fù)核算)，如公式(5)所示。

　　式中 ：V_coolant 是切削液體積 ;CEFc_oolant 是切削液的碳排放因子 ;CEF_c-de 是處理廢切削液碳排放因子;T_coolant 是切削液更換周期 ;t 是加工周期。

　　能源消耗產(chǎn)生的碳排放計(jì)算分析

　　齒輪加工涉及的能源主要是電能，其消耗主體包括加工設(shè)備、輔助設(shè)備和外圍設(shè)備，因此能源消耗產(chǎn)生的碳排放總量計(jì)算模型如公式(6)所示。

　　式中 ：C_mc 是加工設(shè)備消耗的電能碳排放量 ;C_tr 是輔助設(shè)備消耗的電能碳排放量;C_pe 是外圍設(shè)備消耗的電能碳排放量。

　　加工設(shè)備消耗的電能碳排放

　　加工設(shè)備為數(shù)控滾齒機(jī)床，在機(jī)床運(yùn)行過程中消耗電能并間接產(chǎn)生碳排放，其計(jì)算模型如公式(7)所示。

　　式中 ：CEF_e 為電能碳排放因子 ;E_mc 為機(jī)床能耗。

　　機(jī)床能耗主要考慮空載和載荷能耗 2 個(gè)部分，公式為 E_mc=P₁·t₁+P₂·t₂。P₁ 是設(shè)備空載功率，P₂ 是設(shè)備輸入功率，t₁ 是設(shè)備空載時(shí)間，t₂ 是設(shè)備載荷時(shí)間。

　　輔助設(shè)備消耗的電能碳排放

　　輔助設(shè)備為自動(dòng)小車，運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排放主要體現(xiàn)在自動(dòng)小車的能源消耗上，于是計(jì)算自動(dòng)小車碳排放時(shí)，主要考慮其基礎(chǔ)功能的電能能耗。自動(dòng)小車運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放計(jì)算模型如公式(8)所示。

　　式中：E_tr 是自動(dòng)小車能耗，公式為 E_tr=P_avg·t_tr，其中 P_avg 是自動(dòng)小車的平均功率 ;t_tr 是自動(dòng)小車的運(yùn)輸時(shí)間。

　　外圍設(shè)備消耗的電能碳排放

　　外圍設(shè)備為工業(yè)通風(fēng)裝置和照明裝置。由于工廠不僅有齒輪加工生產(chǎn)線，平攤到齒輪加工過程中的碳影響不大，難以精確區(qū)分和計(jì)算，因此該文主要考慮儲(chǔ)存齒輪產(chǎn)品的外圍設(shè)備的能耗引起的碳排放，其計(jì)算模型如公式(9)所示。

　　式中：E_pe 是外圍設(shè)備能耗，E_pe=P·t_pe，其中 P 是外圍設(shè)備的額定功率，t_pe 是外圍設(shè)備的使用時(shí)間。

　　廢棄物處理產(chǎn)生的碳排放計(jì)算

　　處理齒輪加工過程中產(chǎn)生的廢棄物時(shí)會(huì)消耗能源，從而間接產(chǎn)生碳排放。其廢棄物主要是使用切削液時(shí)產(chǎn)生的廢液和原材料加工產(chǎn)生的廢屑。該文將廢液處理的碳排放歸納到切削液碳排放的計(jì)算模型中，是為了避免碳排放分類計(jì)算混亂。廢屑處理一般是經(jīng)過脫油、烘干壓塊后再用電熔爐進(jìn)行燃燒處理，消耗的能源為電能，因此其廢棄物處理產(chǎn)生的碳排放計(jì)算模型如公式(10)所示。

　　式中 ：E_w 是處理廢屑的能耗。

　　碳排放系數(shù)清單

　　上述已建立齒輪加工的碳排放系數(shù)法計(jì)算模型，該方法的計(jì)算精度取決于碳排放清單的完整度和準(zhǔn)確度，因此對(duì) 1.3 節(jié)中的碳排放核算清單進(jìn)行更新，補(bǔ)充各碳排來源的碳排放系數(shù)，使其后續(xù)的案例計(jì)算具有完整性和準(zhǔn)確性。碳排放系數(shù)清單見表 2。

　　三、案例分析

　　案例數(shù)據(jù)

　　該文以某汽車企業(yè)生產(chǎn)變速器主軸齒輪的加工過程為實(shí)例，對(duì)其齒輪加工過程中的碳排放進(jìn)行量化分析。根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況可知，加工設(shè)備型號(hào)是 YS3116CNC7，其主電機(jī)功率是 9.0kW，測得空載功率是 3.4kW。對(duì)一批齒輪訂單(1000 個(gè))進(jìn)行加工，測得機(jī)床加工時(shí)間為 10.5h，空載時(shí)間是 3.6h，用來運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)小車功率為 4.5kW，一次可運(yùn)送 200 個(gè)工件，運(yùn)輸總時(shí)長達(dá) 0.3h。外圍設(shè)備(以工業(yè)通風(fēng)機(jī)與節(jié)能燈為主)的總功率為 1.4kW，用于儲(chǔ)存的時(shí)長為 12h。根據(jù)實(shí)際加工情況，對(duì)這一批齒輪加工所消耗的物料與能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表 3。

　　其中，刀具的質(zhì)量為 2kG，壽命值為 48h，加工時(shí)間共計(jì) 4.7h，切削液總使用量為 13L，一般更換周期為 2 個(gè)月。

　　碳排放量化計(jì)算

　　根據(jù)齒輪加工過程的碳排放計(jì)算模型，將上述數(shù)據(jù)帶入各項(xiàng)公式，可得該實(shí)際加工產(chǎn)生的各環(huán)節(jié)的碳排放，將個(gè)部門進(jìn)行求和可得該齒輪加工過程中的碳排放總量，具體數(shù)據(jù)見表 4。

　　碳排放結(jié)構(gòu)分析

　　將上述數(shù)據(jù)根據(jù)碳排放源的分類轉(zhuǎn)化為更直觀的圖表，如圖 4 所示?？汕逦吹剑谀茉聪倪@個(gè)源頭上，電能是所有碳排放結(jié)構(gòu)中占比最高的一項(xiàng)，幾乎貫穿整個(gè)齒輪加工過程，包括用電熔爐處理廢屑這一環(huán)節(jié)。

　　對(duì)電能消耗結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行進(jìn)一步分析可知，數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)消耗的電能占總電耗的 50%，是電能碳排放的主要源頭，其次是用電熔爐對(duì)廢屑進(jìn)行燃燒處理所消耗的電能，占總電耗的 38%，主要原因是電熔爐為高耗設(shè)備。此外，自動(dòng)小車耗電最低，碳排放量占比也最低，但為了保證核算完整性，仍不可忽略。其他占比情況如圖 5 所示。

　　四、結(jié)語

　　該文采用碳排放系數(shù)法對(duì)齒輪加工過程中產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行量化計(jì)算，并根據(jù)生產(chǎn)的各部分建立了碳排放計(jì)算模型，但其計(jì)算精度依賴于碳排放清單的完整性和精準(zhǔn)性。因此為了更客觀地計(jì)算出齒輪加工過程中產(chǎn)生的碳排放量，首先，分析該車間碳排放源，對(duì)各源頭進(jìn)行分類，分為 3 類源頭，即物料消耗、能源消耗和廢棄物處理。其次，規(guī)定需要核算的范圍，建立齒輪加工碳排放的計(jì)算邊界，以免過度、重復(fù)核算。最后，根據(jù)邊界系統(tǒng)對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行物料、能源使用分析，得到一份完整的碳排放清單。并對(duì)實(shí)際的齒輪加工情況進(jìn)行碳排放量化分析，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)帶入計(jì)算模型，得出實(shí)際的碳排放量。

　　分析實(shí)際計(jì)算結(jié)果可知，電能是影響汽車變速器齒輪加工車間碳排放的最主要因素之一，因此，優(yōu)化電能消耗是企業(yè)取得節(jié)能減碳顯著成果的關(guān)鍵。基于此，提出以下減排的展望觀點(diǎn) ：1)提高清潔能源使用占比，使用低能耗清潔設(shè)備，引進(jìn)面向綠色制造的工藝技術(shù)，如光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、干式切削技術(shù)等。2)提高生產(chǎn)管理水平，樹立低碳節(jié)能意識(shí)，如使用精益生產(chǎn)思想提高生產(chǎn)線的產(chǎn)能效率、提高設(shè)備和能源的利用率、使用準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)方式對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行整改并建立物料和能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能耗可視化。

　　參考文獻(xiàn)略.