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綠色制造技術的概念、內涵及其哲學意義
綠色制造技術的概念、內涵及其哲學意義
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  中圖分類號:N031,TH12,TH16 文獻標識碼:A 文章編號:1003-5680(2002)01-0047-04
   一 引言
  自70年代以來,全球掀起了一場空前壯闊的綠色革命,它從經濟到政治,從觀念到行為,對整個世界和人類生活產生了巨大的沖擊和影響。“建立一個可持續發展的社會”,正成為21世紀全球性社會改革浪潮的一個重要主題。1992年聯合國在巴西里約熱內盧召開的環境與發展會議發表了《21世紀議程》,提出了全球可持續發展的戰略框架。隨后,中國政府向全世界推出《中國21世紀議程》,把可持續發展戰略列為國家發展戰略。《21世紀議程》指出:“地球所面臨的最嚴重的問題之一,就是不適當的消費和生產模式,導致環境惡化、貧困加劇和各國的發展失衡。若想達到合理的發展,則需要提高生產的效率并改變消費,以最高限度地利用資源和最低限度地產生廢棄物。”可持續發展戰略的提出,使我國企業界面臨挑戰和機遇并存的局面。它要求企業順應可持續發展的全球性潮流。然而,對于制造業來講,一方面,在工業發展史上,制造業以其絕對的優勢奠定了其在工業上的基礎地位。另一方面,在目前的技術水平及觀念模式下,由制造業所帶來的各種問題也日益顯露。其中十分突出的一項就是對于環境的威脅,現代科學技術日新月異使人類逐步擺脫貧窮,同時亦使人類陷入日益惡劣的自然環境中。“回歸自然”已成為人類的共同心聲。在當今時代,綠色環境保護運動的興起,浸染了現代科學技術,也蘊育了綠色制造技術。
  眾所周知,制造業是將可用資源(包括能源)通過制造過程,轉化為可供人們使用和應用的工業品和生活消費品的產業。20世紀80年代,特別是80年代后期以來,世界制造業市場競爭不斷加劇,給企業帶來了越來越大的壓力,迫使企業紛紛尋求有效方法:一方面加速技術進步的步伐,促使現代制造過程的組織發生重大的變化,其目的在于使企業能適應市場的需要和變化,以最快的速度設計和生產出高質量的產品,并以最低的成本和合理的價格參與市場競爭。另一方面,制造業在生存和競爭的同時,又不斷消耗資源,產生廢棄物,造成環境污染,使得環境問題日益惡化,并正在對人類的生存與發展造成嚴重威脅。制造業是環境污染的主要源頭,因此,如何使制造業盡可能較少地產生環境污染是當前環境問題研究的一個重要方面。于是綠色制造(Green Manufacturing)這一全新的概念便產生了。
   二 綠色制造技術的內涵特征
  綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式,其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中,對環境的影響(負作用)最小,資源效率最高。其體現的一個基本觀點是,制造系統中導致環境污染的根本原因是資源消耗和廢棄物的產生。因此,綠色制造涉及的領域有三部分:一是制造問題,包括產品生命周期全過程;二是環境保護問題;三是資源優化利用問題。綠色制造就是這三部分內容的交叉[1]。
  當前國際上都注意到這樣一個事實:一方面,人類正在耗費巨資來保護環境,控制污染。比如,美國每年用于環境保護的投資達800~900億美元,日本達700億美元以上。另一方面,人類賴以生存的環境并沒有因此而給人類相應的恩賜,反而一次又一次地發出警告。雖然工業污染在一些發達國家得到了一定的控制,但其經濟代價是巨大的,而且新的環境污染問題又不斷出現。人們在反省過去所采取的環境保護策略和環境保護的手段時發現,過去更多地把環境保護的重點放在了污染物的“末端”控制和處理上,而忽略了污染物的全過程控制與預防。據統計,在國民經濟運行中,社會需要的最終產品僅占原材料用量的20%~30%,而70%~80%的資源最終成為進入環境的廢物,造成環境污染與生態破壞[2]。可以說,工業文明引起的環境污染的主要來源是資源的浪費。越來越多的事實表明,環境問題不僅僅是生產的終端的問題,在這個生產過程及其前后的各個環節都有產生環境問題的可能,有時其它環節對環境污染的影響甚至超過生產過程的本身。比如汽車的生產和使用過程中產生的環境污染問題比生產過程要高得多。如果從生產的準備過程就開始對全過程所使用的原料、生產工藝,以及生產完成后的產品使用進行全面的評價,對可出現的環境污染問題進行預防,環境面臨的問題就會大大減輕。正如高質量的產品是通過全面質量管理(TQC)生產出來的而不是靠檢驗出來的一樣,良好的環境是通過“綠色制造”實現的。
  綠色制造將廢物減量化、資源化和無害化,或消滅于生產過程之中。同時對人體和環境無害的綠色產品的生產,亦將隨著可持續發展的進程的深入而日益成為今后產品生產的主導方向。不僅要實現生產過程的無污染和不污染,而且生產出來的產品在使用和最終報廢處理過程中也不對環境造成損害。應該指出,在綠色制造的概念中,不但含有技術上的可行性,還包括經濟上的可贏利性,體現經濟利益、環境效益和社會效益的和諧與統一。
  能給人們研究和實施綠色制造提供多方位的視圖和模型的綠色制造的體系結構,是綠色制造的內容、目標和過程等多方面的集成[3]。綠色制造的體系結構中包括兩個層次的全過程控制(具體的制造過程即物料轉化過程、綠色產品生命周期全過程)、三項具體內容(綠色生產過程、綠色產品、綠色資源)和兩個實現目標(環境保護、資源優化利用)。
   三 綠色制造技術的內容
  前面已論述到:綠色制造系統的特征目標是追求廢棄物最少和環境污染最小,而決定此兩個目標的根本因素是資源流。影響制造系統的資源流的因素是多種多樣的,因而決定了實施綠色制造涉及的問題和途徑是多方面的,歸納起來,綠色制造技術從內容上應包括“五綠”,即綠色設計、綠色材料、綠色工藝、綠色包裝和綠色處理等五個方面。在綠色制造實施問題中,綠色設計是關鍵。比如,Boothroyd在Ford汽車公司發表的報告中指出,盡管設計費用僅占產品全部成本的5%左右,但卻決定了80~90%的產品生命周期的全部消耗[4]。
   1.綠色設計
  綠色設計是在產品及其壽命的全過程的設計中,充分考慮對資源和環境的影響,在充分考慮產品的性能、質量、開發周期和成本的同時,優化各有關設計因素,使得產品及其制造過程對環境的總體負影響減到最小。綠色設計又稱為面向環境的設計DEE(Design for the Environment)。
  綠色設計的主要內容如圖1的框架所示[5],面向環境的產品設計應包括的內容很廣泛,像材料的選擇、產品的包裝方案設計等環節,考慮這些環節對資源消耗和環境的影響甚大,應把它們單獨作為面向環境設計問題的一個子項加以考慮。其中,面向環境的產品方案設計一般是指涉及產品原理、方法、總體布局、產品類型、包裝運輸等方面的選擇和設計。面向環境的產品結構設計的主要目標是采用盡可能合理和優化的結構(包括有利于包裝運輸和良好的人機工程的結構),以減少資源消耗和浪費,從而減少對環境的負面影響,面向環境的產品包裝設計方案,就是要從環境保護的角度出發,優化產品的包裝方案(從包裝材料的選取、包裝制品的制造到包裝制品的回收處理及包裝成本等的優化),使得資源消耗和環境負影響最小。
   2.綠色材料
  綠色材料(Green Materials)是指在制備、生產過程中能耗低、噪聲小、無毒性并對環境無害的材料和材料制品,也包括那些對人類、環境有危害,但采取適當的措施后就可以減少或消除的材料及制成品。綠色制造中所強調的綠色材料是指在滿足一定功能要求的前提下,具有良好的環境兼容性的材料。綠色材料在制備、使用以及用后處置等生命周期的各階段,具有最大的資源利用率和最小的環境影響。綠色材料又被稱為生態材料(Eco-material)或環境意識材料(Environmentally conscious materials)。選擇綠色材料是實現綠色制造的前提和關鍵因素之一。綠色制造要求選擇材料應遵循以下幾個原則:①優先選用可再生材料,盡量選用回收材料。提高資源利用率,實現可持續發展;②盡量選用低能耗、少污染的材料;③盡量選擇環境兼容性好的材料及零部件,避免選用有毒、有害和有輻射特性的材料。所用材料應易于再利用、回收、再制造或易于降解。
  附圖B22d05.JPG
  圖1 綠色設計內涵框架
   3.綠色工藝
  采用綠色工藝是實現綠色制造的重要一環,綠色工藝與清潔生產密不可分。1992年在里約聯合國環發大會上,清潔生產被正式認定為可持續發展的先決條件,《中國21世紀議程》也將其列入其中,并制定了相應的法律。清潔生產要求對產品及其工藝不斷實施綜合的預防性措施,其實現途徑包括清潔材料、清潔工藝和清潔產品。我們所提出的綠色工藝是指清潔工藝,指既能提高經濟效益,又能減少環境影響的工藝技術。它要求在提高生產效率的同時必須兼顧削減或消除危險廢物及其它有毒化學品的用量,改善勞動條件,減少對操作者的健康威脅,并能生產出安全的與環境兼容的產品。綠色工藝的實現途徑包括:①改變原材料投入,有用副產品的利用,回收產品的再利用以及對原材料的就地再利用,特別是在工藝過程中的循環利用;②改變生產工藝或制造技術,改善工藝控制,改造原有設備,將原材料消耗量、廢物產生量、能源消耗、健康與安全風險以及生態的損壞減少到最低程度;③加強對自然資源使用以及空氣、土壤、水體和廢物排放的環境評價,根據環境負荷的相對尺度,確定其對生物多樣性、人體健康、自然資源的影響評價。總之,我們應從生命周期的全過程對綠色工藝進行研究。推行綠色工藝既要從技術入手,更要重視管理和宣傳問題。
   4.綠色包裝
  選擇綠色包裝材料作為產品的包裝已經成為一個研究的熱點。各種包裝材料占據了廢棄物的很大一部分份額。據報道,1990年美國約產生2億噸城市固體廢物,其中1/3為產品包裝。這些包裝材料的使用和廢棄后的處置給環境帶來了極大的負担。尤其是一些塑料和復合化工產品,很多是難以回收和再利用的,只能焚燒或掩埋處理,有的降解周期可達上百年,給環境帶來了極大的危害。因此,產品的包裝應摒棄求新、求異的消費理念,簡化包裝,這樣既可減少資源的浪費,又可減少環境的污染和廢棄物后的處置費用。另外,產品包裝應盡量選擇無毒、無公害、可回收或易于降解的材料,如紙、可復用產品及可回收材料(如EPS聚苯乙烯產品)等。通過改進產品結構,減少重量,也可達到改善包裝,降低成本并減小對環境的不利影響。DEC公司的研究表明,增加其產品的內部結構強度,可以減少54%的包裝材料需求,并可降低62%的包裝費用。我國一些在產品上過分鋪陳講究,常常大瓶套小瓶,大盒裝小盒,不僅加大成本,還造成不必要的材料浪費。相反,西方一些發達國家不再提倡繁雜精美的包裝,重興簡約之風,這也是綠色包裝思想的一種體現。
   5.綠色處理
  產品的綠色處理(即回收)在其生命周期中占有重要的位置,正是通過各種回收策略,產品的生命周期形成了一個閉合的回路。壽命終了的產品最終通過回收又進入下一個生命周期的循環之中。它們包括重新使用(Reusing)、繼續使用(usingion)、重新利用(Reutilization)和繼續利用(Utilizingon)。為了便于產品的綠色處理,一般在設計中主要考慮產品的材料和結構設計,如采用面向拆卸的設計方法(designfor Disassembly,DFD)。拆卸是實現有效回收策略的重要手段。只有拆卸才能實現完全的材料回收和可能的零部件再利用。只有在產品設計的初始階段就考慮報廢后的拆卸問題,才能實現產品最終的高效回收。
   四 綠色制造的哲學意義
  綠色制造作為當今全球性產業結構調整的戰略,符合確保人類生活質量的提高和促進經濟可持續健康發展的要求,理當植根于研究自然界一般規律的自然哲學原理之中。下面從綠色制造與生態系統的閉環系統原理、綠色制造與自然界層次結合度的遞減原理兩方面來闡述綠色制造的自然哲學意義。
   1.生態系統的閉環系統原理與綠色制造技術
  生態系統是指生物群落和與其相互作用的無機界(或無機環境)構成的一個不可分割的綜合體,任一生態系統可視為生產者、消費者、還原者和一些非生命物質組成。一個良好的生態系統應該是一個閉環系統。老子說:“周行而不殆,可以為天下母”[6],其意思是說,不停地循環運行,可算作天下萬物之本。人工自然和天然自然的綜合系統中物質能量的良性循環,顯然是人類最好的生存與發展的基石。如前所述,綠色制造則要求在生產全過程中考慮整個生產、生活系統物質能量的充分利用,從而形成良性循環。
  恩格斯在《自然辯證法》中指出:“整個自然界被證明是在永恒的流動和循環中運動著的。”[7]循環是自然界的普遍原理。生態系統就是一個閉環系統,其中自養者、草食者、肉食者、腐食者正好構成一個“生產-消費-復原”的閉環系統,實現著生態系統物質能量的高效循環利用。而隨著工業文明的不斷發展,人類近代工業社會的生產模式卻形成了“原料-產品-廢料”的斷裂鏈條。人類生產投放的物能只有一部分(如前述只有20%~30%)轉化為產品,而其他部分(70%~80%)則作為“三廢”投向自然環境,造成大量的環境污染。因此,人類應該師法自然生態系統,按照循環原理,補上“廢料-原料”這段被打斷的鏈條,形成“原料-產品-廢料-原料”的閉合循環,從而節能降耗,減少污染,將生產和生活系統整合到生態系統的大循環之中。而綠色制造技術中的綠色設計、綠色材料、綠色工藝、綠色包裝和綠色處理等環節無不蘊含著這一哲學思想。
   2.自然界層次結合度的遞減原理與綠色制造技術
  綠色制造技術強調在產品設計與制造時,要瞻前顧后,充分考慮產品整體或部分以至材料的再生利用,將產品的價值發揮到極致。也即是在產品的設計與制造時應埋下將來再利用的“伏筆”。如果產品的零部件性能在產品的周期壽命中性能沒有改變,而且沒有磨損,就可以直接回收再利用到同類同型號產品上,有的也可以直接在跨類產品上再使用;如果零部件的性能沒有改變,但有磨損,則在各項技術與經濟指標合乎要求的情況下,進行小型化加工,制造成小型號零部件再加以利用。這種產品可回用性的前提是可拆卸性,這正是綠色設計與綠色制造所遵循的基本原則。產品整體的再利用往往需要維修,產品不可拆卸,維修就有困難。產品零部件的回用過程則直接要求將零部件從產品上拆卸下來。就是到了綠色處理過程,即材料的回收利用也要求產品具有可拆卸性,否則就會使不同種類的材料破碎混合在一起,給予再加工利用帶來困難,甚至失去再加工利用的價值。
  綠色設計與制造中的產品的可拆卸性實際上遵循的是系統層次結合度遞減的自然哲學思想。在一臺設備或機器中,系統存在一個由元件、零件、部件到具體的產品這樣由局部到整體、由低層到高層的層次結構,在這個層次結構中,隨著層次由低到高地推進,即由元件到產品的生成過程中,系統的結合度呈現出遞減的趨勢。正如美國系統理論專家E.拉茲洛曾明確地指出:“當我們從初級組織層次的微觀系統走進較高層次的宏觀系統,我們就是從被強有力地、牢固地結合在一起的系統走向具有較微弱和較靈活的結合能量的系統。”[8]我們知道,在自然界中將夸克結合為粒子的力量是非常強大的;將質子和中子結合原子核的強相互作用就要弱一些;將原子核和電子結合為原子的電磁相互作用力又弱了一些;將有機小分子結合為生命大分子的肽鍵,氫鍵又再弱一些;而細胞器之間、細胞之間、組織之間、肌體系統之間結合的緊密程度依次更加弱化;至于維持生物群落和生態系統的力量則與物理和生物化學的力量難以相比了。所以生態系統是極其脆弱的,極易遭到人類的破壞。實際上,當自然界的高層系統解體時,低層系統(“零部件”)仍然保持相對的穩定性,在一定的條件下,這些“零部件”又可結合成或納入到新的高層系統,如動物尸體的腐爛降解后即可作為植物的養料而又合成有機物。有鑒于此,在綠色制造技術中,產品要做到可拆卸、可回用就必須考慮產品的結合方式的結合度問題,就要遵循自然系統的結合度遞減原理。在這方面,人們已不知不覺地采取了很多有益的做法,如在制造過程中,舍棄傳統的以鉚、焊為主的結構方式,而優先考慮模塊式結構或卡式結構,如最新設計的計算機、汽車、煤礦用電牽引采煤機、礦車輪對等都是如此。在產品的設計和制造時,將要設計與制造的產品分解成不同層次,具體研究從低層到高層關聯度的遞減,這是綠色設計與綠色制造的一種基本思想。
  科學技術與辯證法太原47~50B2科學技術哲學張新民/段雄20022002綠色制造是實現生態工業和社會可持續發展的關鍵技術,正在引起人們的高度重視。綠色制造要求在產品的設計和制造過程中考慮產品的整個生命周期,從而實現產品全生命周期對環境的負面影響最小,資源利用率最高。本文從綠色制造觀念的產生、綠色制造技術的內涵特征及其具體內容等方面闡述了綠色制造技術的自然哲學意義。綠色制造/綠色設計/面向環境設計/生態系統/層次結合度/可持續發展張新民(1964-),男,漢族,湖北黃梅人,中國礦業大學在讀博士研究生,焦作工學院副教授,碩士研究生導師。 中國礦業大學機電學院,江蘇 徐州 221008 段雄(1961-),男,漢族,教授、博士生導師,中國礦業大學機電學院院長。 中國礦業大學機電學院,江蘇 徐州 221008 作者:科學技術與辯證法太原47~50B2科學技術哲學張新民/段雄20022002綠色制造是實現生態工業和社會可持續發展的關鍵技術,正在引起人們的高度重視。綠色制造要求在產品的設計和制造過程中考慮產品的整個生命周期,從而實現產品全生命周期對環境的負面影響最小,資源利用率最高。本文從綠色制造觀念的產生、綠色制造技術的內涵特征及其具體內容等方面闡述了綠色制造技術的自然哲學意義。綠色制造/綠色設計/面向環境設計/生態系統/層次結合度/可持續發展
2013-09-10 21:20

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