面對氣候變暖這一重大全球性問題，目前已有 127 個國家承諾到 2050 年甚至更早實現零碳排放，中國也提出了雙“碳”目標(即 2030 年前實現碳達峰目標，2060 年前實現碳中和目標)。該目標的提出推進了各行各業加速邁向綠色、低碳、經濟和可循環的發展道路，但節能減排的前提是碳排放的核算問題，因此不少學者提出了不同的碳排放計算方法。
李聰波等人基于廣義邊界研究了機械加工系統碳排放量化方法;李愛平等人運用遺傳算法對孔加工模型進行了低碳優化求解;周光輝等人從材料、能源和廢棄物 3 個方面分析了零件加工過程的碳排放，設計了生產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可持續供應鏈的碳排放決策模型。
基于上述國內、外對碳排放計算方法的研究，該文提出了針對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。最后通過實際案例，將實際生產數據代入計算模型，分析某汽車變速器齒輪加工過程的碳排放量和占比結構。
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別
齒輪是典型的機械加工產品，通過車削、鉆孔和熱處理等一系列制造工藝將原材料轉變為產品。在整個齒輪加工過程中，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，因此齒輪機械加工過程中的碳排放具有多源性、層次性和動態性等特征。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，如風能、水能、煤、石油和天然氣等)、二次能源(由一次能源經過化學或物理轉化得到的資源，如電能、蒸汽等)以及耗能工質(在生產過程中不做原料使用也不進入產品，制取時卻消耗能源的工作物質，如水、氧氣等)。
在齒輪制造過程中，能源主要以機械設備、設施為消耗主體，能耗產生的碳排放一般來自加工設備、輔助設備和外圍設備。
加工設備
齒輪加工所用機械加工設備包括滾齒機床、銑床、插床和刨齒機，這些設備進行磨齒、車削、鉆削、銑削、刨削以及插削等工藝時，會消耗電、氣、油等能源，從而產生碳排放。
輔助設備
輔助設備博阿凱自動小車、傳送帶、吊車、叉車和機械手等，是給加工活動提供裝卸、運輸等輔助功能的設備，主要消耗的能源是電能。
外圍設備
外圍設備指能為生產過程和儲存等提供照明、通風和粉末吸取等功能的裝置設施，如燈、工業風扇等，一般消耗的能源是電能。
齒輪加工過程中，除了能源消耗會產生碳排放外，物料的使用也會產生碳排放。生產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。但根據生產過程特性的不同，物料和能源消耗時產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中直接產生的二氧化碳等溫室氣體或反應構成，然而實際上，生產加工中間接產生的碳排放更常見，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將物料與能源輸入經過加工設備轉變為所需產品及廢棄物輸出的機械加工系統，不同的加工工藝會導致碳排放結構出現差異。雖然已識別出齒輪加工過程中的碳排放源來自以加工設備、輔助設備、外圍設備為消耗主體的物料和能源消耗，但考慮整個機械加工系統的運行涉及上、下游生產活動較廣(上游包括能源開采、原材料采購運輸等;下游包括產品供應出庫等)，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備碳排放為中心，將齒胚、輔助材料、能源投入設備進行加工活動的碳排放劃為左邊界，產出的產品入庫活動的碳排放為右邊界，生產活動涉及的輔助和外圍設備碳排放為上邊界，加工作業產生的廢液、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”足跡來分析整個系統產生的碳排放。通過將核算范圍內的各環節直接或間接引起的碳排放因素進行換算來實現碳排放的量化計算。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生，這部分的核算需要考慮實際加工工藝和加工設備的功能差異，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，其流動隨著的碳排放存在于生產的各環節中，不僅包括生產中的原材料消耗、刀具磨損和切削液消耗，還包括返修、工序間運輸等非增值的碳排放。
廢物流
加工產生的廢氣、廢屑和廢水等廢棄物需要經過達標處理才可以排放和回收利用，而處理過程中產生的碳排放也需要劃在整個核算邊界中。
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”中產生碳排放的因子，即消耗的物料和能源。為了避免重復計算，下文將分析加工設備、輔助設備和外圍設備的碳排放情況，并列出核算邊界模型中的碳排放核算清單。
加工設備
齒輪加工的設備主要是數控滾齒機，其加工流程如圖 3 所示。齒胚投入機床加工，并進行車削鉆孔、滾齒、磨齒和熱處理等作業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。
輔助設備
輔助設備能耗主要分析與生產活動相關的輔助活動產生的能耗特征，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輸。齒胚投入生產需要搬運到機床上，產品檢驗合格后運輸到倉庫進行存放，而工廠里主要使用的運輸設備是自動小車。自動小車是一種可周期性替換電池供電的設備。因此該文的輔助設備使用的能源是電能，運輸過程中無物料消耗。
外圍設備
齒輪加工的外圍設施主要涉及照明、通風的功能，因此外圍設備主要包括工業通風裝置和照明裝置，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，該文外圍設備為生產提供合適環境所消耗的電能基本是穩定的。
廢物處理
在機械加工過程中，經過切削鉆孔等工藝后物料會發生損耗，變成廢棄物，能源經過物理或化學轉變會產生廢水、廢氣及固體廢棄物。這些廢物必須進行處理，達標后才能排放和回收利用，因此在處理環節中會消耗電能和少量化石能源。
結合上述分析，將各部分涉及的物料和能源進行整理，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算模型
碳排放的量化計算方式一般有 3 種，即實際測量法、質量平衡法和排放系數法。實際測量法通過在煙氣排放連續監測系統(CEMS)中搭載碳排放監測模塊，直接測量碳排放量。質量平衡法的原理是碳守恒，因此更適合涉及化學工藝的碳排放核算。根據 IPCC 提供的碳核算基本方程對碳排放系數法進行計算，該方法是一種成熟且應用廣泛的碳排放計算方法。根據碳排放清單列表，將活動數據和碳排放系數的乘積作為該排放源的碳排放量值。其中，活動數據可通過實際調查和監測得到，碳排放系數來源于有關國家規范、專業研究機構報告以及國際的碳排放數據庫等。
因此，選擇碳排放系數法更適合齒輪加工過程的碳排放核算，結合 IPCC 提供的計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 ;Cm 是物料消耗產生的碳排放量 ;Ce 是能源消耗產生的碳排放量 ;Cw 是廢棄物處理環節中產生的碳排放量。
物料消耗產生的碳排放計算分析
齒輪加工涉及的物料包括齒胚原材料、刀具和切削液，因此物料消耗產生的碳排放總量計算模型如公式(2)所示。
式中 ：Cmt 是原材料消耗產生的碳排放量 ;Ctool 是刀具損耗產生的碳排放量 ;Ccoolant 是切削液消耗產生的碳排放量。
原材料碳排放
在機械加工中，原材料消耗為根據工藝規格切除的多余物料，該多余部分會間接產生碳排放。根據上文規定的核算邊界，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算主體的。原材料碳排放計算模型如公式(3)所示。
式中 ：Mmt 是原材料切除量;CEFmt 是原材料碳排放系數。
刀具碳排放
在制造加工過程中，刀具自身的磨損也會產生直接和間接的碳排放，但實際上直接碳排放量較少，可忽略不計。因此計算刀具碳排放時主要考慮的是刀具制備過程中產生的碳排放在使用過程中的分攤，即采用時間折算分配法來計算刀具碳排放，計算模型如公式(4)所示。
式中 ：Mtool 是刀具質量;CEFtool 是刀具的碳排放因子;Ttool 是刀具壽命(Ttool=N+1，N 為使用次數);tc 是使用時間。
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生碳排放的，并且切削液有較長的更換周期。因此計算時也采用時間折算分配法，即加工使用時間總和與更換周期的比值來計算。計算模型還包括切削液廢棄后處理產生的碳排放(避免在廢棄物處理階段重復核算)，如公式(5)所示。
式中 ：Vcoolant 是切削液體積 ;CEFcoolant 是切削液的碳排放因子 ;CEFc-de 是處理廢切削液碳排放因子;Tcoolant 是切削液更換周期 ;t 是加工周期。
能源消耗產生的碳排放計算分析
齒輪加工涉及的能源主要是電能，其消耗主體包括加工設備、輔助設備和外圍設備，因此能源消耗產生的碳排放總量計算模型如公式(6)所示。
式中 ：Cmc 是加工設備消耗的電能碳排放量 ;Ctr 是輔助設備消耗的電能碳排放量;Cpe 是外圍設備消耗的電能碳排放量。
加工設備消耗的電能碳排放
加工設備為數控滾齒機床，在機床運行過程中消耗電能并間接產生碳排放，其計算模型如公式(7)所示。
式中 ：CEFe 為電能碳排放因子 ;Emc 為機床能耗。
機床能耗主要考慮空載和載荷能耗 2 個部分，公式為 Emc=P1·t1+P2·t2。P1 是設備空載功率，P2 是設備輸入功率，t1 是設備空載時間，t2 是設備載荷時間。
輔助設備消耗的電能碳排放
輔助設備為自動小車，運輸過程中產生的碳排放主要體現在自動小車的能源消耗上，于是計算自動小車碳排放時，主要考慮其基礎功能的電能能耗。自動小車運輸產生的碳排放計算模型如公式(8)所示。
式中：Etr 是自動小車能耗，公式為 Etr=Pavg·ttr，其中 Pavg 是自動小車的平均功率 ;ttr 是自動小車的運輸時間。
外圍設備消耗的電能碳排放
外圍設備為工業通風裝置和照明裝置。由于工廠不僅有齒輪加工生產線，平攤到齒輪加工過程中的碳影響不大，難以精確區分和計算，因此該文主要考慮儲存齒輪產品的外圍設備的能耗引起的碳排放，其計算模型如公式(9)所示。
式中：Epe 是外圍設備能耗，Epe=P·tpe，其中 P 是外圍設備的額定功率，tpe 是外圍設備的使用時間。
廢棄物處理產生的碳排放計算
處理齒輪加工過程中產生的廢棄物時會消耗能源，從而間接產生碳排放。其廢棄物主要是使用切削液時產生的廢液和原材料加工產生的廢屑。該文將廢液處理的碳排放歸納到切削液碳排放的計算模型中，是為了避免碳排放分類計算混亂。廢屑處理一般是經過脫油、烘干壓塊后再用電熔爐進行燃燒處理，消耗的能源為電能，因此其廢棄物處理產生的碳排放計算模型如公式(10)所示。
式中 ：Ew 是處理廢屑的能耗。
碳排放系數清單
上述已建立齒輪加工的碳排放系數法計算模型，該方法的計算精度取決于碳排放清單的完整度和準確度，因此對 1.3 節中的碳排放核算清單進行更新，補充各碳排來源的碳排放系數，使其后續的案例計算具有完整性和準確性。碳排放系數清單見表 2。
三、案例分析
案例數據
該文以某汽車企業生產變速器主軸齒輪的加工過程為實例，對其齒輪加工過程中的碳排放進行量化分析。根據實際調查情況可知，加工設備型號是 YS3116CNC7，其主電機功率是 9.0kW，測得空載功率是 3.4kW。對一批齒輪訂單(1000 個)進行加工，測得機床加工時間為 10.5h，空載時間是 3.6h，用來運輸的自動小車功率為 4.5kW，一次可運送 200 個工件，運輸總時長達 0.3h。外圍設備(以工業通風機與節能燈為主)的總功率為 1.4kW，用于儲存的時長為 12h。根據實際加工情況，對這一批齒輪加工所消耗的物料與能源進行統計，見表 3。
其中，刀具的質量為 2kG，壽命值為 48h，加工時間共計 4.7h，切削液總使用量為 13L，一般更換周期為 2 個月。
碳排放量化計算
根據齒輪加工過程的碳排放計算模型，將上述數據帶入各項公式，可得該實際加工產生的各環節的碳排放，將個部門進行求和可得該齒輪加工過程中的碳排放總量，具體數據見表 4。
碳排放結構分析
將上述數據根據碳排放源的分類轉化為更直觀的圖表，如圖 4 所示。可清晰看到，在能源消耗這個源頭上，電能是所有碳排放結構中占比最高的一項，幾乎貫穿整個齒輪加工過程，包括用電熔爐處理廢屑這一環節。
對電能消耗結構情況進行進一步分析可知，數控機床進行加工時消耗的電能占總電耗的 50%，是電能碳排放的主要源頭，其次是用電熔爐對廢屑進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備。此外，自動小車耗電最低，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、結語
該文采用碳排放系數法對齒輪加工過程中產生的碳排放進行量化計算，并根據生產的各部分建立了碳排放計算模型，但其計算精度依賴于碳排放清單的完整性和精準性。因此為了更客觀地計算出齒輪加工過程中產生的碳排放量，首先，分析該車間碳排放源，對各源頭進行分類，分為 3 類源頭，即物料消耗、能源消耗和廢棄物處理。其次，規定需要核算的范圍，建立齒輪加工碳排放的計算邊界，以免過度、重復核算。最后，根據邊界系統對各環節進行物料、能源使用分析，得到一份完整的碳排放清單。并對實際的齒輪加工情況進行碳排放量化分析，將生產數據帶入計算模型，得出實際的碳排放量。
分析實際計算結果可知，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，優化電能消耗是企業取得節能減碳顯著成果的關鍵。基于此，提出以下減排的展望觀點 ：1)提高清潔能源使用占比，使用低能耗清潔設備，引進面向綠色制造的工藝技術，如光伏發電系統和風力發電系統、干式切削技術等。2)提高生產管理水平，樹立低碳節能意識，如使用精益生產思想提高生產線的產能效率、提高設備和能源的利用率、使用準時化生產方式對產線進行整改并建立物料和能源管理系統，實現能耗可視化。
參考文獻略.