面向环境的过程设计

9．2．1　面向环境的过程设计

大量的研究和实践表明，产品制造过程的工艺方案不同，资源和能源的消耗也不同，对环境的影响将更不同。因此，面向环境的过程设计应考虑尽量研究和采用资源和能源消耗少、废弃物的产生量和毒性小、对环境污染小的工艺方案和工艺路线。

1）污染预防

大多数的环境污染在产品设计时就已经决定了。国外曾有过统计，通过适当的工艺设计，可以减少或避免90%的环境污染⁽²³⁾。因此，在防止污染的步骤中，设计显得至关重要。污染预防的关键是避免或减少污染物的产生，而不是污染物产生后的处理和加工。

污染预防是通过检查工艺流程、设备、原材料消耗和管理等各个环节，找出环境问题及其原因，并通过污染预防措施加以解决。主要的污染预防措施有：

（1）改进生产过程和技术

改进生产过程和技术是减少或消除废弃物产生、提高资源和能源效率的有效方法之一。这方面的内容主要有：

①简化工艺流程。生产过程常常包括若干环节，环节越多，所使用的能源越多；且其中间步骤的代谢物常常作为废弃物排放，由此可能再造成污染。因此，减少生产环节、简化工艺流程是提高资源利用效率、减少污染排放的有力措施。假设一个生产过程由四个步骤组成，每一环节的转化效率是60%，那么总的转化效率是12%；如果缩减为三个步骤，那么转化效率将提升为21%⁽²⁴⁾。

②改革生产工艺和设备。开发采用无废或低废的生产和设备来替代落后的老工艺，消除或减少废弃物。如优选设备材料，以提高可靠性、耐用性；提高设备的密闭性，以减少泄露；采用节能的泵、风机、搅拌装置等。例如，采用流化床催化加氢法代替铁粉还原旧工艺生产苯胺，可消除铁泥渣的产生，废渣量由2 500kg／t产品减少到5kg／t产品；并降低了原料和动力消耗，每吨苯胺产品蒸汽消耗由35t降为1t，电耗由220kW·h降为130kW·h，苯胺收率达到99%⁽²⁵⁾。

③改进工艺参数。在确定好加工方式情况下，采用恰当的加工工艺参数，可有效地实现节能。比如对于直径相差较大的阶梯轴类零件，可以采用直径棒料作毛坯，也可以采用精锻毛坯，但两者在毛坯制备方面所消耗的能量却相差很大，因此应综合考虑、优化选择⁽²⁶⁾。

（2）强化内部管理

有关资料表明，目前的工业污染约有30%是由于生产过程中管理不善造成的⁽²⁷⁾。因此，通过强化管理、规范操作、严格工艺纪律可以削减相当比例的污染。这方面的措施有⁽²⁸⁾：

①建立健全的管理体系和规章制度；

②合理安排生产计划；

③严格执行工艺纪律；

④加强物料管理，消除物料的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”；

⑤保证设备完好率。

（3）废弃物再循环

①废弃物在企业内部的循环。即将生产过程的废弃物，在企业内部加以收集、处理并再利用，如废弃物、余热、废油的回收及再利用；将流失的原料、零件回收、返回到生产过程中再使用；将回收的废弃物分解处理成原料组分；建设闭路用水循环或一水多用系统等。

②废弃物在企业外部的循环。企业最终输出的废弃物以及产品淘汰或报废后的废弃物应采用多种治理方法进行综合利用和治理，作为其他企业的原料加工成其他的产品，力求使排入环境中的废弃物对环境污染最小化。

2）节约用水

水资源是所有工业生产所必需的原料，很多工业过程都大量消耗水资源，如金属开采和加工业以及化学合成业。虽然很多发达国家工业用水量已经开始下降；但是在中国，工业用水量及其所占比重却在持续上升（见图9．1）。

图9．1　中国工业用水量变化趋势（2000～2006年）

资料来源：《中国统计年鉴2007》

工业生产的水源来自于天然水体，废水的最终去向也是天然水体。目前，我国的淡水资源短缺和天然水体污染的形势已经十分严峻，因此设计节水型工业过程非常重要。节约用水的途径主要有：

（1）改进工艺和设备，降低用水量

通过不断改进工艺，如改水冷却器为空气冷却器、改水洗为干洗等，可以降低生产过程对水的需求。如在钢铁生产的高炉冲渣水工艺中，若采用旧常规水冲渣法，1t渣约需10m³水；而采用转鼓渣法粒化装置工艺，1t渣只需1m³水。目前国内许多大中型高炉煤气采用“湿法”净化需大量洗涤水，同时这些水又造成二次污染，若采用“干法”除尘，则无需使用这部分水，从而节约了水资源、杜绝了污染⁽²⁹⁾。

（2）循环再用，提高水的重复利用率

通过实施串级供水、按质用水、一水多用和循环用水等措施，可降低新水用量、减少废水排放量。如钢铁企业的冷却水可供煤气洗涤尘用水，再去供水冲渣用水和原料场的洒水等。宝钢根据工序对水质要求的不同，实行工业水、过滤水、软水和纯水四个供水系统，作为循环系统的补充水。以铁厂为例，高炉炉体间接冷却水循环系统、炉底喷淋冷却水循环系统、高炉煤气洗涤水循环系统等“排污”水，依次串接循环使用，前一系统排水作为后一系统补充水。高炉煤气洗涤循环系统“排污”水作为高炉冲渣水循环系统的补充水；水冲渣循环系统则密闭不“排污”。这种多系统串接排污循环使用，最终实现98%以上的用水循环率⁽³⁰⁾。