再制造与循环经济 1 5.docx

1、再制造与循环经济 1 51.1 再制造工程的内涵1.1.1 再制造工程再制造工程：以机电产品全寿命周期设计和管理为指导，以废旧机电产品实现性能跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，对废旧机电产品进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造的重要特征：再制造产品的质量和性能要达到或超过新品，成本仅是新品的50%左右，节能60%、节材70%以上，对保护环境贡献显著；再制造产品不是二手产品，属于新品。再制造的对象：广义的。既可以是设备、系统、设施，也可以是其零部件；既包括硬件，也包括软件。1.1.2 再制造在产品全寿命周期中的地位传统的产品寿

2、命周期是“研制-使用-报废”，其物流是一个开环系统；理想的绿色产品寿命周期是“研制-使用-再生”，其物流是一个闭环系统，如图1-1所示。图 1-1 再制造在产品全寿命周期中的位置1.1.3 再制造与维修和再循环的区别1.1.4 再制造工程的学科体系全寿命周期管理不仅要考虑新产品的论证、设计和制造，而且还要考虑产品的使用、维修直至退役的废品处理。随着产品再制造的实施，应运产生了多寿命周期理论，开展对产品每一循环阶段的环境分析、费用分析和综合效益分析（费效分析）。再制造工程是以多寿命周期理论为基础，以产品“后半生”中报废或改造等环节为主要研究对象，以如何开发与应用高新技术修复和提升产品性能为研究内

3、容的一门学科，目的是保障产品后半生的高性能、低投入，为产品后半生注入新的活力。再制造工程的学科体系框架如图1-2所示（下页）。1.1.4.1 再制造工程的研究对象对象为废旧机电产品。对旧机型升级改造的过程。再制造与传统制造的重要区别在于毛坯不同：再制造的毛坯是已经加工成形并经过服役的零部件，针对这种毛坯恢复甚至提高其使用性能，有很大的难度和特殊的约束条件。在这种情况下，只有依靠科技进步才能克服再制造加工中的困难。1.1.4.2 再制造工程设计基础包含的内容涉及机械工程、材料科学与工程、信息科学与工程、环境科学与工程，再制造工程融合了上述学科的基础理论，结合再制造工程实践，逐步形成了废旧产品的失

4、效分析理论、剩余寿命预测和评估理论、再制造产品的多寿命周期评价基础以及再制造过程的模拟与仿真等。此外，还要通过对废旧产品恢复性能时的技术、经济和环境三要素的综合分析，完成对废旧产品或其典型零部件的再制造特性评估。1.1.4.3 再制造工程的关键技术高新技术：先进表面技术、微纳米图层及微纳米减摩自修复材料和技术、修复热处理技术、再制造毛坯快速成形技术及过时产品的性能升级技术等。1.1.4.4 再制造工程的质量控制、技术设计与再制造产品的物流管理1.2 循环经济的基本原则1.2.1 循环经济的本质与特点循环经济是物质循环利用、高效利用的经济发展模式。经济增长的两种模式：传统增长模式，单向式直线过程

5、，创造的财富越多，消耗的资源越多，产生的废弃物越多，对资源环境的负面影响就越大。循环经济模式，反馈式循环过程，以尽可能小的资源消耗和环境成本，获得尽可能大的经济效益和社会效益。循环经济是一种以资源的高效利用和循环利用为核心，以“减量化、再利用、再循环”为原则，以“低消耗、低排放、高效率”为基本特征，符合可持续发展理念的经济增长模式，是对“大量生产、大量消费、大量废弃”的传统经济模式的根本变革。1.2.2 再制造与循环经济1.2.3 废旧机电产品循环利用的三个水平以斯太尔汽车发动机为例，分析在材料水平上循环利用、零部件水平上循环利用和整机水平上循环利用的资源、环境效益。1.2.3.1 在材料水平

6、上的循环利用在材料水平上循环利用，是指将废旧机电产品先转化为原材料而后利用。以发动机为例，其主要材料为钢铁、铝材和铜材。当发动机达到报废标准，传统的资源化方式是将发动机拆解、分类回炉，冶炼、轧制成型材后进一步加工利用。经过这些工序，原始制造的能源消耗、劳动力消耗和材料消耗等各种附加值绝大部分被浪费，同时又要重新消耗大量能量，造成了严重的二次污染。据统计，10000台WD615-67型斯太尔发动机中含钢铁5837t、铝材160t、铜材19t。每回炉1t钢铁耗能1784kWh，排放CO20.086t；每回炉1t铝材耗能2000 kW h，排放CO20.17t；每回炉1t铜材耗能1726 kWh，排

7、放CO20.25t。按照上述数据测算，回炉10000台发动机的钢铁、铝材和铜材共耗能1.076亿kWh，排放CO2533.93t。1.2.3.2 在零部件水平上的循环利用在零部件水平上循环利用包括两个部分：一是废旧发动机中有继续使用价值的零部件经过清洗处理，必要时通过喷漆保护即可作为发动机的配件在市场上流通。通过对10000台废旧斯太尔WD615-67型发动机各零部件损坏情况的检测分析表明，这部分可直接使用的主要零部件数量上占23.7%、价值上占12.3%、重量上占14.4%。对这些零部件循环使用，可以完全免除原始制造中金属生产、毛坯生产制造、后续切削加工和材料处理等过程，因而资源、环境效益好

8、，可节能2.23107 kWh，减少 排放76.89t。二是零部件的疲劳寿命仍可保证整机使用一个寿命周期，只是表面出现局部磨损、腐蚀、划伤、压坑等缺陷，通过再制造加工，可以使零部件在尺寸和性能上达到新品的水平，其中一些易损件，还可以通过表面工程技术使其寿命延长，性能优于新品。这一类零部件占WD615-67发动机零部件总数的62%，零部件总重量的80%，零部件总价值的77.8%。对这部分零部件进行再加工也免去了其原始制造中金属材料生产和毛坯生产过程的资源、能源消耗和废弃物的排放，并免去了大部分后续切削加工和材料处理中相应的消耗和排放，零部件再制造过程中虽然要使用各种表面技术，进行必要的机械加工和

9、处理，但因所处理的是局部失效表面，相对于整个零部件原始制造过程来讲，其投入的资源（如焊条、喷涂粉末、化学药品）、能源（电能、热能等）和废弃物排放要少得多，大约比原始制造要低1-2个数量级。1.2.3.3 在整机水平上的循环利用在整机水平上循环利用，是指以废旧发动机整机为对象，通过再制造加工和技术改造，以再制造后的整机形态供应市场，发达国家已竞相采用该模式。整机水品的循环利用是基于新品标准，采用专业化、大批量的流水线加工及生产方式，再制造后的整机性能和质量可达到或超过新品。整机水平上循环利用是以零部件水平上循环利用为基础的。整机再制造包含了零部件的再制造，只有零部件的质量合格才能保证整机的性能达

10、到甚至优于原型机的新品要求。整机再制造既有完善的生产质量保证体系，又有完善的售后服务保障体系，这就克服了以零部件水平循环利用面临的诸多困难。整机水平上循环利用，又不是仅仅限于零部件水平上循环利用，在对整机再制造时实施必要的技术改造时其中的一项重要内容，这种技术改造，可使多年前生产的老机型结构更加合理，产品更加耐用，消耗的燃油、机油更少，排放的有害气体下降。综上，整机循环利用是资源效益和环境效益好、再制造产品质量有保证、市场便于管理、客户使用放心的最佳途径。据测算，再制造1万台废旧发动机耗能0.103亿kWh，与以材料水平的循环利用相比，其耗能仅为其1/15。与新发动机的制造过程相比，再制造发动

11、机生产周期短，仅占新机制造周期的46%，并且成本降低了61%。表 1-1 新机制造与旧机再制造的生产周期对比（单位：天/台）周期生产周期拆解时间清洗时间加工时间装配时间再制造发动机70.5141.5新发动机1500.5140.5 表 1-2 新机制造与旧机制造的基本成本对比（单位：元/台）成本设备费材料费能源费新购零部件费税费人力费管理费合计再制造发动机400300300100001800160040016400新发动机10001800015001200047003000200042200以年再制造1万台斯太尔发动机为例，则可以节省金属7.65kt，回收附加值3.23亿元，提供就业500人，并

12、可节电1.45亿kWh，获利税0.29亿元，减少CO2 排放0.6kt，见表1-3.由此可见，实施整机在制造对促进循环经济发展、节能、节材和保护环境等方面具有重要意义。表1-3 年再制造1万台WD615-67型斯尔太发动机的总和效益分析效益消费者节约投入/亿元回收附加值/亿元直接再用金属/万t提供就业/人利税/亿元节点度/亿kWh减少CO2 排放、kt再制造2.93.230.765（钢铁0.575，铝0.15，其他金属0.04）5000.291.450.61.2.4 循环经济的四个层次这四个层次由小到大，前者是后者的基础，后者是前者的平台。1.2.4.1 企业内循环1.2.4.2 产业园区循环

13、1.2.4.3 城市（区域）循环1.2.4.4 全球（国际）循环1.3 再制造对循环经济的贡献再制造工程对循环经济的贡献表现为：（1）再制造的资源潜力巨大例1、斯尔太发动机表 1-4 斯尔太WD615-67型发动机三种资源化形式所占比例资源化形式再利用/%再制造/%再循环/%零部件价值12.377.89.9零部件重量14.480.15.5零部件数量23.762.014.3例2、美国Argonne国家实验室统计，美国的再制造活动在节约能源方面具有十分明显的作用：新制造1台汽车的能耗是再制造的6倍，新制造1台汽车发动机的能耗是再制造的11倍，新制造1台汽车发电机的能耗是再制造的7倍，新制造1台汽车

14、发动机关键零部件的能耗是再制造的2倍，再制造1台柯达照相机的能源需求不到新制造相机的2/3。每年全世界再制造业节省的材料就达到1400万t，节省的能量相当于8个中等规模核电厂的年发电量。（2）再制造的经济效益显著1996年美国再制造产业涉及的8个工业领域中，专业化再制造公司超过73000个，生产46种主要再制造产品，年销售额超过530亿美元，接近1996年美国钢铁产业的年销售额560亿美元。其中汽车再制造是最大的再制造领域，公司总数为50538个，年销售总额365亿美元，占全部再制造业的68%。资料表明，美国2002年再制造产业的年产值为GDP的0.4%。我国2020年GDP预计达到40000

15、亿美元，如果以美国2002年再制造的水平作为我国2020年目标，则再制造产业年产值将达到160亿美元。 (a) (b)图 1-3 美国再制造业的销售额及就业人数（1996年）（3）再制造的环保作用突出废旧机电产品再制造可以减少原始矿藏开采、提炼以及新产品制造过程中造成的环境污染；能够极大地节约能源，减少温室气体排放。美国环境保护局估计，如果美国汽车回收业的成果能被充分利用，对大气污染水平将比目前降低85%，水污染处理量将比目前减少76%。图 1-4 再制造的环保效益预测（4）再制造能缓解就业压力实施废旧机电产品再制造，将可兴起一批新兴产业，解决大量就业问题。美国的再制造业规划到2005年安排就

16、业100万人，我国2020年如达到美国2005年水平，则创造就业将超过100万人。美国的研究表明，再制造、再循环产业每100个人员就业，采矿业和固体废弃物安全处理业将失去13个人员就业。两者相比，可以看出再制造、再循环产业创造的就业机会远大于其减少的就业机会。（5）再制造向人民提供物美价廉的产品再制造充分提取了蕴含在产品中的附加值，在产品销售时具有明显的价格优势。如再制造发动机，其质量、使用寿命达到或超过新品，并有完善的售后服务，而价格仅为新机的50%左右。（6）再制造能提升机电产品国际竞争力，扩大对外开放发达国家立法支持废旧机电产品资源化，强化了对进口机电产品废弃时的资源回收利用评价。北美的

17、工程机械要求全部实现再制造，其市场准入制度是制造商负责对售出使用5年或运行1万小时的工程机械进行全部回收和再制造，并在回收的同时返还消费者产品价格50%的费用。这已成为我国工程机械进入国际市场的门槛，逼迫我国必须开展废旧机电产品的再制造。如果我国企业能积极开展面向资源化回收的产品设计，并承担起对自己产品实施再制造的责任，就可以避开这些国家的贸易壁垒、扩大出口。同时，还可对进入中国市场的外国机电产品，实施严格的资源回收利用评估。“加入国际资源大循环”是我国当前对外开放的新形式。发达国家的人均物资消耗约为我国的40倍，每年产生的废旧物资约40亿-50亿吨，其中20亿吨需要劳动密集型企业来处理。另外

18、发达国家的许多二手设备，通过再制造升级也能提升其使用价值。在这种背景下，一种新的开放模式应运而生：进口廉价的再生资源+进口廉价的二手设备+廉价劳动力+高技术=耗能最少、质优价廉的出口或内销才产品。这种开放模式在我国东南沿海地区和台湾省已见成效，并迅速被东南亚国家竞相采用。2.1 再制造工程的发展背景2.1.1 紧迫的社会发展需求 19世纪30年代，美国遭遇了大萧条，更多的汽车被实施再制造。 1942年，美国参加二战，商用车生产受到控制，再制造成为轿车和货车维持运转的唯一方法。 20世纪的100年，人类创造的物质财富超过了以往5000年的历史总和，但也极端消耗了地球资源。传统的经济增长模式又带来

19、许多负面效应。制造业是所有产业中最大的资源使用者，也是最大的环境污染源之一。据统计，全世界制造业每年产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物，占全球污染物总量的70%以上。 21世纪后，再制造成为具有战略意义的必然选择：如下两个图。资源短缺图 2-1a 全球重要金属矿可开采年限（2000年）图 2-1b 全球重要金属矿可开采年限（2009年）产品更新换代加快图 2-2 中国机电产品报废量2.1.2 充足的再制造资源废旧机电产品就是再制造的资源。全球可工业化开采的矿产资源绝大部分已不在地下，而以“废旧物资”的形态堆积在我们周围，构成了“都市矿山”，而且俯拾皆是富矿。图2-2也说明了这个问题。2.1.

20、3 良好的物质基础再制造具有潜在价值的根本原因是机器中零部件使用寿命不相等，而且每个零部件的各工作表面的使用寿命也不相等，这就为再制造的实施提供了物质基础。在一部机器中通常固定件的使用寿命长，如箱体、支架、轴承座等，而运转件的使用寿命短。在运转件中，承担扭矩传递的主体部分使用寿命长，而摩擦表面使用寿命短，与腐蚀介质直接接触的表面使用寿命短，不与腐蚀介质接触的表面使用寿命长。再制造的着眼点是把没有损坏的零部件继续使用，把有局部损伤的零部件采用先进的表面工程技术等手段通过再制造加工继续使用，而且可以针对失效的原因采取措施使它的使用寿命延长。图 2-3 斯太尔WD615-67型发动机三种资源化形式所

21、占比例图2.1.4 显著的综合效益图 2-4 产品附加值分析以汽车发动机为例，原材料的价值只占15%，而成品附加值却高达85%（图2-5）。宏观统计资料表明，发动机原始制造和再制造过程中的能源消耗、劳动力消耗和材料消耗的对比如图2-6所示。再制造过程中充分利用了废旧产品中的附加值。原材料消耗是新品制造中的11%-20%。图 2-5 发动机成本分析图 2-6 发动机制造与再制造消耗对比2.1.5 先进的技术支撑再制造技术优于原始制造技术的典型例子是先进表面工程技术在再制造产品上的应用。机械产品的故障往往是个别零部件失效造成的，而零部件失效基本是由于局部表面造成的。例如，腐蚀从零部件表面开始，摩擦

22、磨损发生在零部件表面，疲劳型纹也是由零部件表面向内延伸的。表面工程技术的发展过程：单一表面工程复合表面工程纳米表面工程。纳米表面工程中的纳米电刷镀、纳米等离子喷涂、纳米减摩自修复添加剂、纳米固体润滑膜、纳米粘涂技术等已进入到实用化阶段。原品的制造仍在进行，但是调整工艺流程，更换工装设备很不容易，很少吸纳新材料、新技术、新工艺等方面的成果。技术是再制造产品优于原品的主要原因。2.2 国外机电产品再制造现状2.2.1 美国再制造业总览1996年，美国波士顿大学制造工程学教授R.T.Lund在Argonne国家实验室的资助下，领导了一个研究小组对美国的再制造业进行了深入调查，撰写了研究报告再制造工业

23、：潜在的巨人。2003年，撰写了报告再制造业：巨人的剖析，具体内容见报告。表 2-1 美国再制造公司调查情况工业领域产品种类数据库中公司数/个调查的公司数/个汽车转向器、启动机、水泵、离合器、发动机4536405压缩机A/C压缩机、冰箱压缩机5521电子仪器转换装置、电动机、开关装置2231216机械制造各种工业领域的机械和设备9023办公用具办公桌、文件夹22024轮胎卡车轮胎和轿车轮胎1210127墨盒激光墨盒、喷墨盒1401134阀门控制阀门、减压阀门11030其他各种类型零部件5023总计99031003图 2-7 从事再制造业时间不同的公司数量统计2001年美国R.W.Beck公司对

24、美国的再循环产业进行了研究，涵盖了26个工业类别，并按工作性质的不同分为废旧产品的回收、再循环产品加工、再循环材料用于制造业及再利用和再制造四类。结果如表2-2所示，结果是按最小计算法统计的，因此数据只为1996年Lund教授统计数据的1/3。表 2-2 美国再循环产业信息统计（26个工业类别）数据类型工业部门总数废旧产品回收再循环产品加工再循环产品用于制造再利用与再制造公司数量92471205180472671656061雇员数320101608657597461691831121804每年支付薪金/1000美元956875382636029181749274749836712482估计年产

25、值/1000美元19745164175390217839042314182531236301374美国协会组织OPI（OEM Product-Service Institute）2003年的研究结果表明，美国再制造业（包括商业资本、国防工业、汽车部件）年产值400亿美元，刚好占美国GDP的0.4%，或者新产品制造业产值的5%。2.2.2 汽车零部件的再制造汽车零部件再制造起源于欧美地区，有专门的汽车发动机再制造协会，负责管理、协调汽车发动机再制造行业的技术、设备、产品、备件供应等事宜。福特、通用、大众、雷诺等，或有自己的发动机再制造厂，或与独立的专业发动机再制造公司保持固定的合作关系。汽车零部

26、件的再制造是美国再制造发展最早的领域。再制造工业：潜在的巨人表明，汽车再制造领域的公司总数为50538个，年销售总额365亿美元，总雇员337571人，汽车再制造业成为最大的再制造领域。美国汽车工程师协会（SAE）：“全寿命周期管理”和“再制造”相关的学术会议。美国汽车发动机产品再制造协会（PERA）主办了汽车再制造杂志。福特公司旧部件交流中心，回收利用旧部件，目标使回收率达到95%。利用计算机技术，传授各种快速回收技术和回收经营网络。福特、通用、克莱斯勒等结成回收联盟，建立汽车拆卸中心。通用与田纳西合作，开发一个汽车再制造软件。该程序从汽车制造到销毁，跟踪汽车所有零部件对能源的环境影响，从而

27、指导技术人员的工作并检验回收效果。欧盟各国也十分注重汽车零部件的再制造。德国颁布了循环经济与废弃物处理法、限制废车条例、循环经济法等。宝马公司已建立起一套完善的回收品经营连锁店的全国性网络。用过的发动机，经改造后，仅是新发动机成本的50%-80%，发动机在改造程序中，94%被修复，5.5%被溶化再生，只有0.5%被填埋处理。德国大众已再制造发动机720万台，与新机销售比例为9:1。法国的标致雪铁龙联合法国废钢铁公司和维卡水泥公司，在里昂附近建立一个汽车再生工厂。雷诺公司同法国废钢铁公司在阿蒂蒙建立了汽车报废回收中心。2.2.3 工程机械的再制造美国卡特彼勒公司世界最大工程机械和建筑设备提供商。

28、其CEO詹姆斯欧文斯认为：再制造产品具有很大的潜在增长率。再制造可持续发展的腾飞之翼 2012年底，中国各大城市开始被雾霾席卷，PM2.5监测数字不断爆表，这也引起了中国社会对环境变化的反思。人们飞速增长的商品需求刺激了经济生产对资源的无限掠取，中国社会未来的发展也因此面临严峻的挑战。伴随国际社会对生态、环境、资源等问题的深入探讨，中国政府将“可持续发展”战略提升到国家发展建设的议程，建立极少废料和污染物的工艺与技术系统成为可持续发展实践中的重要课题，再制造行业在此趋势下应运而生。再制造：两型社会、五六七再制造秉承最大限度利用废旧产品剩余价值的理念，以废旧产品的零部件为毛坯，通过先进的表面工程

29、技术为修复手段来实现新产品的制造。目前中国的再制造被广泛用于机械装备、家用电器、汽车制造等行业领域。研究表明，再制造产品的质量和性能往往达到甚至超过原型新品，成本不超过原型新品的50%，节能60%，节材70%【1】 。以气缸盖为例，美国密西根大学的研究资料表明，再制造气缸盖相对于新制气缸盖可以减少61%的温室气体排放，减少86%的用水量，减少85%的能源消耗，同时在再制造的过程中提高82%的生产安全性。此外，再制造还有力促进了资源节约型、环境友好型社会的建设。在卡特彼勒，再制造已然成为公司实现可持续发展的重要举措。（注【1】：徐滨士院士教学、科研文选）卡特彼勒再制造的中国实践卡特彼勒发展再制造

30、业务40多年来，在7个国家（中国、法国、墨西哥、波兰、新加坡、英国和美国）建立了17座再制造工厂。通过再制造，公司每年回收处理200万旧件，再造或回收处理8万吨材料。2005年，卡特彼勒在上海建立再制造公司，采用“一一交换”的商业模式用户消费一个再制造产品时，通过“旧件押金”返还机制鼓励消费者退回“旧件”发展在中国的再制造产业。通过专业的生产流程（CPS）和科学先进的管理工具（6 Sigma）推进再制造的快速发展，在实现产品全寿命周期延展的同时，实现卡特彼勒的可持续发展战略。卡特彼勒亚太区再制造总经理李征宇说：“再制造有益于客户、有益于商业、更有益于环境。它不但让客户以低于新件的价格享有与新产品相同的质量与服务支持，还可以帮助客户节约大量的成本。”卡特彼勒再制造产业在中国不断壮大，2010年4月，卡特彼勒与广西玉柴合资建立的玉柴再制造有限公司正式成立。2012年，生产面积约14,000平方米的玉柴再制造工厂正式投产。据悉，该厂以玉柴发动机的再制造业务为主，将来还会进行Cat（卡特）中小型发动机整机再制造。目前已开发玉柴