第1章 概述 20世纪以来,随着工业化进程的不断加快,制造业规模不断扩大,制造技术水平得到了快速提升。制造业的快速发展,一方面创造了前所未有的巨大财富,满足和丰富了人类与日俱增的物质文化与生活需求,推进了人类文明的进一步发展; 另一方面,制造业的发展也伴随着资源、能源的大量消耗和生态环境的急剧恶化,以至于人与自然的关系达到了空前紧张的程度。如何在有限的资源、能源以及环境承载能力的约束下,探索一条制造业持续健康发展道路就成为全球共同关注的焦点。绿色制造是一种资源节约和环境友好型制造模式,也自然成为制造业持续发展方式的必然选择。 1.1制造业与资源、环境 制造业是立国之本、兴国之器、强国之基,是一国国民经济的主体,也是提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的保障,是创造人类财富的重要产业。制造业从环境中将可用资源(包括能源)通过制造过程转化为可供人们使用和利用的工业品或生活消费品。制造业的发展有力地促进了社会经济的快速发展,极大地丰富了人类的物质文明。改革开放初期,我国制造业发展相对滞后,物质产品不仅种类少,而且产量不足,各类产品特别是日用消费品供不应求。中华人民共和国成立后,经过70多年的发展,尤其是改革开放以来,我国制造业持续快速发展,工业增加值从1952年的120亿元增加到2018年的305160亿元,按不变价格计算增长了约1000倍,年均增长11%。 随着我国经济水平的不断提升,国内生产总值(GDP)呈现出强有力的增长趋势。1978年,我国GDP总量仅为3600多亿元,改革开放后不断增加,2017年GDP总量首次超过80万亿元,2018年超过90万亿元,2019年则达到约100万亿元。按照年平均汇率折算,2019年中国GDP总量超过14万亿美元,稳居世界第二。根据比较计算,这与2018年世界排名第三、第四、第五、第六位的日本、德国、英国、法国4个主要发达国家2018年国内生产总值之和大体相当。其中,制造业占总产值较大比例,是国民经济的重要组成部分,如图11所示[1]。 图11制造业占GDP比例变化趋势[1] 目前我国已经拥有41个工业大类、207个工业中类、666个工业小类,形成了独立完整的现代工业体系,是全世界唯一拥有联合国产业分类当中全部工业门类的国家。2018年,我国制造业增加值占全世界的份额达到了28%以上,成为驱动全球工业增长的重要引擎。在世界500多种主要工业产品当中,有220多种工业产品中国的产量占据全球第一。 制造业的快速发展,极大丰富了产品的品种和数量,不仅满足了国内消费市场的需求,而且许多产品远销国际市场,中国制造已经逐渐成为全球公认的品牌。由此可见,良好的人居环境,充分的能源供给,便捷的交通和通信设施,丰富多彩的印刷出版、广播影视和网络媒体,优良的教育及医疗保健手段,可靠的国家和社区安全以及抵抗自然灾害的能力等,均离不开强大制造业的支持。 然而,随着全球经济飞速发展,制造业对资源、能源的需求量也在快速增长,制造过程中产生的各种排放对环境造成了不同程度的影响,生产过程中的边角料和残次品、使用过程中破损的结构件以及生命周期末端的退役产品,由于利用效率不高造成了大量资源浪费。按照目前的粗放型发展模式,可用资源的自然增长和环境容量已经远不能满足经济持续发展的需求,因而,需要人们正视制造业与资源、环境的关系。 1.1.1制造、制造业与制造技术 制造已具有200多年的发展史,但迄今为止人们对制造的含义尚有各种不同的认识。按照传统的理解,制造是产品的机械工艺过程或机械加工过程。例如,百度百科对制造的定义是: 把原材料加工成适用的产品制作,或将原材料加工成器物。 Longman词典对制造(manufacturing)的解释为“通过机器进行(产品)制作或生产,特别是适用于大批量”。 国际生产工程协会(The International Academy for Production Engineering,CIRP)对制造的定义是: 制造是人类按照所需目的、运用主观掌握的知识和技能,借助于手工或可以利用的客观物质工具,采用有效的方法,将原材料转化为最终物质产品,并投放市场的全过程。 目前对制造主要有两种理解: 一是指从原材料到产品的制作过程,可以看成是狭义制造的概念; 二是广义制造概念,其在范围和过程两个方面都得到了极大的拓展。在范围方面,制造涉及的工业领域不仅仅局限于机械制造,还包括电子、化工、轻工、食品、军工等国民经济的众多行业; 在过程方面,制造不仅是指具体的工艺过程,而且包括市场分析、产品设计、生产工艺过程、装配检验、销售服务、回收处理等组成的产品全生命周期过程。绿色制造中的制造主要是指广义制造。 制造业是将制造资源通过制造过程转化为社会所需产品的行业。制造业是国民经济的支柱产业,它一方面创造价值,生产物质财富和新的知识; 另一方面,为国民经济各部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。综观世界各国,如果一个国家的制造业发达,它的经济就必然强大。大多数国家和地区的经济腾飞,制造业功不可没,如德国、美国、日本、韩国等。我国改革开放带来的巨大发展成就也充分证明了制造业的重要性。 制造技术是完成制造活动所需的一切手段总和。健康发达的高质量制造业必然有先进的制造技术作为后盾。制造技术是制造业的技术支柱,是一个国家科学技术水平的综合体现。制造技术的发展是一个国家持续发展的动力。为了赢得激烈的市场竞争,在世界经济中占有一席之地,就必须对制造技术进行研究,不断用新技术、新方法充实并改造制造业,使所制造的产品达到功能 (function)先进、交货期(time to market)短、质量(quality)好、成本(cost)低、服务(service)优良,同时具有良好的环境友好性(ecofriendliness)。 1.1.2资源与环境 1. 资源、再生资源与非再生资源 资源是指一国或一地区内拥有的物力、财力、人力等各种物质要素的总称。资源可划分为自然资源和社会资源两大类。社会资源主要包括人力资源、信息资源以及经过劳动创造的各种物质财富等。这里主要讨论自然资源。 自然环境中与人类社会发展有关的、能被利用来产生使用价值并影响劳动生产率的自然诸要素,通常被称为自然资源。联合国环境规划署(UNEP)将自然资源定义为: 在一定时间和一定条件下,能产生经济效益,以提高人类当前和未来福利的自然因素和条件。 自然资源可分为有形的自然资源(如土地、水体、动植物、矿产等)和无形的自然资源(如光资源、热资源等)。自然资源具有可用性、整体性、变化性、空间分布不均匀性和区域性等特点。根据自然资源所处的领域不同,自然资源还可分为 生物资源、农业资源、森林资源、国土资源、矿产资源、海洋资源、气候气象、水资源等类型。 再生资源与非再生资源都是以自然资源为前提。再生资源是指能够通过自然力以某一增长率保持或增加蕴藏量的自然资源。对于再生资源来说,主要是通过合理调控资源使用率,实现资源的持续利用。再生资源的持续利用主要受自然增长规律的制约[2]。一般再生资源是指那些经过使用、消耗、加工、燃烧、废弃等程序后,仍能在一定周期(可预见)内重复形成且具有自我更新、自我复原的特性,并且可持续被利用的一类自然资源或非自然资源。再生资源应该是在社会经济发展中加强建设、推广使用的绿色资源,如土壤、太阳能、风能、水能、植物、动物、微生物、地热、潮汐能、沼气等和各种自然生物群落、森林、湿地、草原、水生生物等。再生资源的主要来源渠道包括:  生产过程中产生的各种废弃物,如机械加工过程中的切屑、冶金过程中的炉渣等。  生产过程中的剩余物,如机械加工过程中产生的边角余料和残次品,炼钢过程中的冒口、切头等。  使用过程中失效的各种零部件,如金属材质的零部件、复合材料制品等。  产品生命周期末端形成的淘汰废弃产品,如机械设备、运输工具、各种电子电器产品等。  日常生活中产生的废弃物,如废旧橡胶、塑料、包装容器等。 非再生资源即不可更新资源,是指人类开发利用后,在现阶段不可能再生的自然资源。非再生资源主要指经过漫长的地质年代形成的矿产资源,包括金属矿产和非金属矿产。矿产资源由于人类持续大量地开采,储量逐渐减少,有的已接近枯竭。矿产资源形成的速度根本无法同人类开发的速度相比,因而矿产资源被认为是不可再生资源。矿产资源的大量开发和利用,除了造成短缺外,还会污染生态环境,改变地球环境的基本结构和改变区域的自然环境条件。例如,对土壤不合理开发和利用,会造成土壤资源损失,尤其是土壤会被污染,造成土壤成分、结构、性质和功能的变化,如失去肥力和净化能力,或发生沙漠化。这些变化在短期内都无法恢复。 能源属于自然资源,可以分为一次能源和二次能源。一次能源又称为原生能源,是指在自然界中以现存形式存在的能源,包括可再生能源和不可再生能源。需要利用其他能源制取的能源称为二次能源,如电、石油、酒精等。在一次能源中,不会因利用而减少,能够不断得到补充的能源称为可再生能源,如风、流水、潮汐、太阳辐射能、地热等。需经地质年代才能形成而短期内无法再生的一次能源称为不可再生能源。能源的分类如图12所示。 图12能源的分类 2. 环境、生态环境与社会环境 环境是一个相对概念,一般是指围绕某个中心事物的外部世界。中心事物不同,环境的含义也随之不同。《中华人民共和国环境保护法》第2条规定: 本法所称的环境,是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体,包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、湿地、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。环境按属性一般又分为自然环境和人工环境。自然环境是指未经过人的加工改造而天然存在的环境,是客观存在的各种自然因素的总和,如大气圈、水圈、土圈、岩石圈和生物圈。人工环境是指人类创造的物质的、非物质的成果的总和,如人工建筑物、人工产品和能量、语言文字、文化艺术、政治体制、宗教信仰等。 自然环境是人类赖以生存的基础,它提供了阳光、空气、水、土壤等人类生存的基本元素及人类从事生产的自然资源。一旦受到影响或污染,环境将会对与它赖以生存的事物造成影响,如水、大气、土壤等,一旦污染超标,将会破坏生态系统平衡,最终威胁到人类的生存与发展。 环境对人类活动一般有三个作用: 第一,为人类生存、生活、生产提供基本条件和物质基础; 第二,环境对人类活动产生的废弃物进行消纳、转化,保证人类生产和生活过程的延续; 第三,为人类生产和生活提供舒适性精神享受。 生态环境(ecological environment)是“由生态关系组成的环境”的简称,是指与人类密切相关、影响人类生活和生产活动的各种自然(包括人工干预下形成的第二自然)力量(物质和能量)或作用的总和。生态环境主要包括影响人类生存与发展的水资源、土地资源、生物资源以及气候资源数量与质量的总称,是关系到社会和经济持续发展的复合生态系统。生态环境问题是指人类为其自身生存和发展,在利用和改造自然的过程中,对自然环境破坏和污染所产生的危害人类生存的各种负反馈效应。 所谓社会环境,就是对人们所处的社会政治环境、经济环境、法制环境、科技环境、文化环境等宏观因素的综合。社会环境对人们的职业生涯乃至人生发展都有重大影响。狭义的社会环境仅指人类生活的直接环境,如家庭、劳动组织、学习条件和其他集体性社团等。社会环境对人的形成和发展进化起着重要作用,同时人类活动给予社会环境以深刻的影响,而人类本身在适应改造社会环境的过程中也在不断变化。 1.1.3制造业与资源、能源、环境的关系 1. 制造业与资源和能源的关系 制造业的发展离不开资源和能源的支撑,我国自改革开放以来,制造业经历了史无前例的快速发展,也付出了极大的资源和能源消耗代价。 近年来,资源能源的有限性与快速发展的制造业之间的供需矛盾不断凸显。根据对154个国家主要矿产资源的探测,43种重要的非能源矿产资源统计中,静态储量50年内枯竭的有6种,其中包括锰、铜、锌、金、银、石墨等。另外,总体来看,我国现有资源的利用率不高,矿产资源的开发总回收率只有30%~50%,比发达国家低20%左右。每万元国民收入的能耗为20.5t标准煤,为发达国家的10倍,“高投入、低效率、高污染”的问题仍然存在。再加上淘汰废弃产品的回收方式仍然比较粗放,回收利用率不高,往往还会产生二次污染。所有这些资源的不合理开发和利用,最终均会导致环境日益恶化、越来越多的物种濒临灭绝、淡水资源不足、森林资源面积锐减、矿物储量急剧下降、水土流失加剧等,严重制约社会经济的持续健康发展。 据统计[3],按照目前世界年耗油量30亿t推算,石油资源可用130年左右。天然气储量约1800 亿~4000亿t。全世界天然气的可采储量为70多亿立方米。目前全世界可开采的天然气总储量高达281亿m3,也只能满足170年的需求。煤炭目前已证实的储量为14000亿t。按目前全世界的耗煤量计算,可用500年。根据国家统计局发布的数据, 2008—2015年,我国能源消费总量从32.06亿t标准煤增长至42.99亿t标准煤,工业能源消费总量从20.93亿t标准煤增长至29.23亿t标准煤,制造业能源消费总量从17.21亿t标准煤增长至24.29亿t标准煤,如图13所示。其中2008年制造业能源消费总量占能源消费总量的53.7%,2015年制造业能源消费总量占能源消费总量的56.5%,且呈逐年上涨趋势。 图13全国能源消费总量及工业能源消费总量变化趋势 2018年我国制造业劳动生产率为27382.27美元/人,而美国、日本、德国和韩国的这一数据分别是我国的5.85倍、3.62倍、3.39倍和3.17倍。2017年,我国制造业单位能源利用效率分别仅相当于美国、日本和德国的68%、50%和48%,制造业的平均产能利用率只有60%左右,而世界产能利用率平均为71.6%,美国为78.9%。制造业能源利用效率并未形成全球竞争优势,粗放的能源消耗方式不仅使制造业体系长期处于“高耗能、高污染、高排放”的低效运转模式,也拉低了制造业企业的效益水平,降低了产品的国际竞争力,严重限制了企业转型发展的能力。 随着人们能源节约与环境保护意识的逐步提高,能源消耗结构正在产生积极的变化,优质、高效、洁净的能源(如天然气、风能、太阳能)得到了长足发展和利用,提高能源利用率的各项技术也不断涌现并得到推广应用。 2. 制造业与环境的关系 制造业是资源消耗和污染物排放的主要贡献者之一,“高投入、高消耗、高排放和低利用”发展模式使得生态环境不断恶化,许多自然资源濒临枯竭,在严重影响了国民生活环境的同时也阻碍了经济的发展。制造业对环境的影响主要可以分为两类: 一类是环境污染; 一类是资源、能源枯竭。 人类生活及生产活动对全球环境变化有着重要影响,尤其是工业革命以后,其影响主要表现在4个方面,即气候变化、臭氧层破坏、海洋污染及生物多样性锐减。制造业对环境的污染主要体现在大气污染、 水体污染、土壤污染和固体废物及化学品危害等方面[4]。 (1) 大气污染。大气污染的程度主要是由人类生产活动和社会活动所产生的大气污染物的浓度决定的。大气污染物是指对人和环境产生有害影响的物质。大气污染物按其存在状态可分为两类: 一类为颗粒物; 另一类为气态污染物。颗粒物可以根据其化学成分或颗粒大小加以描述,这两方面的性质在确定其对大气性质和人体健康的影响时都很重要。制造业主要的大气排放物是SO2等含硫的化合物、NO等含氮的化合物、CO等含碳的氧化物等。其中SO2是造成大气污染的主要物质,所形成的酸雨对人体健康和农业生产均会造成严重危害。 大气污染对人体健康会产生严重影响。CO能参与多种化学反应,形成烟雾,导致城市能见度降低和降水规律变化。从2013年1月开始,我国雾霾现象大面积频发,华北、华东等人口集聚区域情况尤为严重。根据生态环境部2018年发布的《中国生态环境状况公报》,全国338个地级及以上城市中,只有121个城市环境空气质量达标,占全部城市数的35.8%,比2017年上升6.5个百分点; 217个城市环境空气质量超标,占64.2%。而在2014年和2013年,情况更为严重: 2014年,中国74个主要城市中只有8个城市能够通过国家清洁控制标准; 2013年只有3个城市(海口、舟山、拉萨)能够达标。同时,在463个监测降水的城市(区、县)中,酸雨频率平均为10.8%,出现酸雨的城市比例为36.1%,酸雨频率在25% 以上的城市比例为16.8%,酸雨频率在50% 以上的城市比例为8.0%,酸雨频率在75%以上的城市比例为2.8%。酸雨区面积约62万km2,占国土面积的6.5%。 (2) 水体污染。水体污染是指水体因某种物质的介入而导致其物理、化学、生物或者放射性等方面特性的改变,影响水的有效利用,危害人体健康或破坏生态环境,造成水质恶化的现象。制造业的行业不同,采用的工艺方法不同,引起水污染的类型也有差别,主要有以下几种类型。 ① 需氧型污染。废水中的有机物被微生物吸收利用时,消耗水中的各种溶解氧,影响水的质量。 ② 毒物型污染。各种有毒物质排入水体后,导致水生物中毒,并通过食物链危害人体健康,重金属引起的毒物性污染属于这一类。 ③ 富营养型污染。氮、磷含量较高的废水排入水中,会滋生藻类及其他水生植物,恶化水质。 ④ 其他类型的污染。包括生物污染、酸碱盐污染、油类污染、热污染等。 水污染造成的水质恶化,对生态环境影响十分严重,往往会造成严重的经济损失。根据我国生态环境部2017年发布的《中国生态环境状况公报》,全国地表水1940个水质断面(点位)中,Ⅰ~Ⅲ类水质断面(点位)1317个,占67.9%; Ⅳ和Ⅴ类462个,占23.8%; 劣Ⅴ类161个,占8.3%,如图14所示。对以潜水为主的浅层地下水和承压水为主的中深层地下水为监测对象,5100个监测点的地下水质监测结果显示: 水质为优良级、良好级、较好级、较差级和极差级的监测点分别占8.8%、23.1%、1.5%、51.8%和14.8%,如图15所示。 图14全国地表水污染情况 图15全国地下水污染情况 (3) 土壤污染。土壤污染物大致可分为无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物主要包括酸 ,碱,重金属,盐类,放射性元素铯、锶的化合物,含砷、硒、氟的化合物等。有机污染物主要包括有机农药、酚类、氰化物、石油、合成洗涤剂以及由城市污水、污泥及厩肥带来的有害微生物等。当土壤中含有有害物质过多,超过土壤的自净能力时,就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化,微生物活动受到抑制,有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累,通过“土壤→植物→人体”或通过“土壤→水→人体”间接被人体吸收,对人体健康造成危害,此即土壤污染。 近年来,随着工业化进程的不断加快,矿产资源的不合理开采及冶炼排放、长期对土壤进行污水灌溉和污泥使用、人为活动引起的大气沉降、化肥和农药的施用等原因,造成了土壤污染。 根据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示,全国土壤环境状况总体不容乐观,部分地区土壤污染较重,耕地土壤环境质量堪忧,工矿企业废弃地土壤环境突出。全国土壤总的超标率为16.1%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染类型以无机型为主,有机型次之,无机污染物超标点位数占全部超标点位数的82.8%。 (4) 固体废物及化学品危害。固体废物是指在一系列活动中产生,在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体废弃物资。伴随着工业化和城市化进程的加快,固体废弃物的产生量在不断增加。固体废物具有鲜明的时间和空间特性,被认为是在错误时间放在错误地点的资源。固体废物一般具有某些工业原料所具有的化学、物理特性,且容易加工处理、可以回收利用,固体废物对环境的影响主要是通过水、气、土壤等进行的,其危害具有潜在性、长期性和灾难性,从某种程度上说,固体废物,特别是有害废物对环境造成的危害比水、气造成的危害严重得多[5]。 20世纪80年代以来,我国工业固体废弃物的增长速度相当迅速,预计未来几年可能维持在8%左右的增长速度。我国每年 的工业固体废弃物产生量约达33亿t。根据《2017年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》给出的数据,2017年,202个大、中城市一般工业固体废物产生量达13.1亿t,综合利用量7.7亿t,处置量3.1亿t,储存量7.3亿t,倾倒丢弃量9万t[6]。随着城市数量的增加,人口增多,城市垃圾的数量迅速增加,特别是随着包装工业的发展及便利性消费需求的增加,商品过度包装问题日趋严重,一次性产品应用越来越广泛,城市垃圾中的金属、纸类、塑料大部分来自包装材料和一次性消费产品。 0 0 3. 资源、能源、环境对制造业的约束 得益于制造业的快速发展,我国已经成为世界制造业大国,但长期以来,我国制造业形成了以“高投入、高消耗、高排放”为特征的粗放式发展模式,在其快速发展的同时,带来了巨大的能源资源消耗及污染物排放,一方面制约了经济社会发展,影响了人类生活质量的持续提升; 另一方面,资源短缺、环境污染和生态破坏已经成为制约我国制造业可持续发展的瓶颈。 近年来,国家通过制定相关的法规制度以及严格的环保督查,倒逼制造业通过技术创新、管理创新、模式创新等节约资源与能源,使环境质量得到明显改善,但一些地区和领域仍然存在以能源资源的粗放利用和环境污染为代价换取经济发展,环境质量恶化的趋势仍未得到根本扭转。世界自然基金会发布的《气候变化解决方案——WWF2050展望》(中文版)报告称,目前中国的能源利用率仅为33%左右,相当于发达国家20年前的水平。因此,制造业的发展必须走资源节约型、环境友好型的绿色发展道路,开发利用各种新技术,实现持续健康高质量发展。 联合国可持续发展峰会于2015年9月25日通过了《变革我们的世界——2030年可持续发展议程》,即2015年后可持续发展议程。该议程提出了17项可持续发展目标(SDGs)、169个指标,并提出了实现可持续发展目标的6个基本要素,即尊严、以人为本、繁荣、地球、公正和伙伴关系。强调应通过发展筹资、科学技术创新、加强机构能力等方式确保2015年可持续发展后议程的推进落实。该议程的核心思想是: 建立可持续发展目标是为全人类建设更加美好的未来,人类福祉、经济繁荣、健康环境三者之间应保持密切联系,经济发展与保护环境必须协调推进。 实际上,制造业的持续发展和资源能源的有效利用、环境保护是相互依存、相