基于生命周期評價的瓦楞原紙產(chǎn)品碳足跡評價

趙國杰 游亞杰 黃起帥

（1.河南省固體廢棄物分類處理與高值化利用工程研究中心，河南鄭州，450016；2.河南省基本建設(shè)科學(xué)實驗研究院有限公司，河南鄭州，450016）

隨著國家環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，造紙工業(yè)面臨著節(jié)能減排的巨大壓力，踐行綠色發(fā)展理念、推行清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排是造紙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1-2]。

采用生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）方法對紙產(chǎn)品從原材料選擇、產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、使用、回收至廢棄的全過程進行碳足跡分析，有助于掌握造紙行業(yè)溫室氣體排放現(xiàn)狀，識別減排機會[3]。目前已有部分發(fā)達國家開展造紙行業(yè)生命周期研究，如美國林紙協(xié)會（AF&PA）[4]、歐洲造紙工業(yè)聯(lián)合會（CEPI）[5]、加拿大空氣和河流改進委員會（NCASI）[6]和芬蘭國家技術(shù)研究中心（VTT）[7]等。我國生命周期研究還較少，造紙行業(yè)生命周期研究的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立，技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱，目前只有科技部“十一五”科技支撐計劃“造紙行業(yè)典型產(chǎn)品LCA分析與III型環(huán)境標(biāo)志認(rèn)證技術(shù)”項目、“十二五”科技支撐計劃“碳排放和碳減排認(rèn)證認(rèn)可關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項目和“電子信息、造紙和印刷行業(yè)典型產(chǎn)品碳足跡評價關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項目等開展造紙行業(yè)產(chǎn)品生命周期研究[8]。

依據(jù)英國協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)公眾可獲取的規(guī)范PAS2050:2011，對河南省以廢紙為原料生產(chǎn)瓦楞原紙的某造紙企業(yè)采用生命周期的方法進行碳足跡評價，分析各過程單元溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）排放情況，為瓦楞原紙生產(chǎn)過程的節(jié)能減排機會識別提供科學(xué)依據(jù)。

1 瓦楞原紙?zhí)甲阚E評價

1.1 系統(tǒng)邊界確定

本研究采用“從商業(yè)-到-商業(yè)（B2B）”的研究方法來劃分系統(tǒng)邊界，確定從國內(nèi)廢紙運輸?shù)酵呃阍埉a(chǎn)品運送至一級經(jīng)銷商，除紙漿生產(chǎn)和瓦楞原紙生產(chǎn)2個主要過程單元外，還包括化學(xué)品生產(chǎn)、能源生產(chǎn)、原料產(chǎn)品運輸及廢水處理，不包括其他生產(chǎn)過程、最終產(chǎn)品分銷、零售、消費者使用以及過程單元產(chǎn)生固體廢棄物處置/再生利用[9]。由于我國沒有形成健全的廢紙回收體系，獲取廢紙回收數(shù)據(jù)存在困難，故廢紙產(chǎn)生與回收不在研究范圍內(nèi)[10]。

本研究瓦楞原紙的系統(tǒng)邊界如圖1所示[11]。

圖1 瓦楞原紙系統(tǒng)邊界Fig.1 System boundary of corrugated medium

1.2 功能單位

本課題參考國內(nèi)外紙產(chǎn)品生命周期研究相關(guān)的案例，在滿足可測量、與產(chǎn)品系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)直接相關(guān)的要求下，最終選擇1000 kg瓦楞原紙為功能單位[12]。

1.3 簡化評價

根據(jù)1.1中所確定的系統(tǒng)邊界，考慮數(shù)據(jù)獲取的實際約束條件，做出以下幾點簡化說明。

（1）對生產(chǎn)過程中化學(xué)品種類的選擇，根據(jù)功能單位產(chǎn)品生產(chǎn)中用量大于1%/t紙或化學(xué)品生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的環(huán)境影響超過瓦楞原紙產(chǎn)品系統(tǒng)總影響1%為取舍原則，且非實質(zhì)性排放源（碳排放量小于該產(chǎn)品生命周期總碳排放量1%的排放源）的比例不超過總排放的5%[13]。企業(yè)采用廢紙碎解制漿生產(chǎn)瓦楞原紙，不經(jīng)過漂白、脫墨等工序，制漿生產(chǎn)過程中不添加任何化學(xué)品；抄紙過程中使用的化學(xué)品有木薯淀粉（工業(yè)級，YY-278C，杭州紙友科技有限公司）、環(huán)壓增強劑（工業(yè)級，北京化工廠）及過硫酸銨（分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司）；廢水處理中使用聚合硫酸鐵（工業(yè)級，湖南誼德化工有限公司）作為絮凝劑；各化學(xué)品用量如表1所表示。

表1 1000 kg瓦楞原紙生產(chǎn)中主要化學(xué)品用量Table 1 Main chemicals consumption in the production 1000 kg corrugated medium

木薯淀粉在瓦楞原紙生產(chǎn)過程中用量大于1%/t紙的化學(xué)品，環(huán)壓增強劑和過硫酸銨在瓦楞原紙生產(chǎn)過程中用量小于1%/t紙，但屬成分較復(fù)雜的化學(xué)品，本研究均計入統(tǒng)計分析。聚合硫酸鐵在輔助生產(chǎn)系統(tǒng)中用量遠(yuǎn)小于1%/t紙，本研究不計入統(tǒng)計分析。

（2）對生產(chǎn)設(shè)備、建筑設(shè)施、生產(chǎn)用水、包裝材料相關(guān)的生產(chǎn)、維護過程不予考慮。

（3）化學(xué)品及其他輔助材料的運輸過程不予考慮，原料產(chǎn)品運輸假定空載率為50%。

1.4 生命清單分析

研究中盡量避免人為因素對數(shù)據(jù)分配的干擾，在無法避免的情況下，采用物理關(guān)系進行分配，使分配程序在實際操作中簡便、可行。

1.4.1 數(shù)據(jù)收集

根據(jù)既定系統(tǒng)邊界，將瓦楞原紙生產(chǎn)過程分為廢紙制漿、抄紙過程、化學(xué)品生產(chǎn)、能源生產(chǎn)、原料產(chǎn)品運輸、廢水處理6個過程單元，并對過程單元中資源消耗、能源消耗及環(huán)境排放進行原始數(shù)據(jù)收集。收集過程按照以下2個步驟進行。

（1）初級活動水平數(shù)據(jù)。通過企業(yè)調(diào)研、上游廠家提供、采樣監(jiān)測等途徑進行收集，如資源能源消耗包括煤、廢紙、水、電力等，氣體排放包括CO2、NOx、SO2、CO、PM10、非甲烷揮發(fā)性有機物（Nonmethane Volatile Organic Compound，NMVOC）等，水體排放包括總懸浮顆粒物（Total Suspended Particu?late，TSP）、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、全 氮（Total Nitrogen，TN）、全磷（Total Phosphorus，TP）、NO3?、PO43-、總懸浮固體（Total Suspended Solids，TSS）等，以及纖維、污泥等固體廢棄物，液態(tài)廢礦物質(zhì)油等危險廢物，原料產(chǎn)品運輸距離等數(shù)據(jù)。所收集數(shù)據(jù)為企業(yè)2019年全年平均統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并能反映企業(yè)的實際生產(chǎn)水平。

（2）次級活動水平數(shù)據(jù)。無法從實際調(diào)研過程中獲得的數(shù)據(jù)，如相關(guān)化學(xué)品生產(chǎn)、原料產(chǎn)品運輸過程中環(huán)境排放等數(shù)據(jù)，采用中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫CLCD-China、歐盟生命周期數(shù)據(jù)庫ELCD 3.0、Ecoin?vent，中心商用數(shù)據(jù)庫Ecoinvent 2.2 Public或相關(guān)科技文獻數(shù)據(jù)進行替代[14]。

1.4.2 清單分析

利用LCA專業(yè)軟件億科生命周期環(huán)境評價與管理系統(tǒng)軟件V1.0（簡稱eFootprint系統(tǒng)）進行數(shù)據(jù)的分析處理，建立瓦楞原紙生命周期評價科學(xué)完整的計算程序。

利用eFootprint系統(tǒng)建立各個過程單元模塊，輸入各過程單元的數(shù)據(jù)參數(shù)，通過連接各過程單元的關(guān)系變量等操作進行清單分析。另外數(shù)據(jù)分析過程還涉及分配程序處理，首先能源生產(chǎn)過程中能源消耗及環(huán)境排放需分配至不同過程單元；其次廢水處理過程中廢水污染負(fù)荷分配至不同過程單元。

（1）能源生產(chǎn)過程中能源消耗、環(huán)境排放分配至不同過程單元，具體分配方式見式（1）。

式中，Qij為第i過程單元對能源生產(chǎn)過程中污染物j排放的分擔(dān)量（i為過程單元，j為污染物種類）；Ei為第i過程單元的能源消耗量；E為瓦楞原紙生產(chǎn)系統(tǒng)中能源消耗總量；Cj為能源生產(chǎn)中第j種污染物排放量。

（2）生產(chǎn)廢水處理過程中對不同來源廢水的污染負(fù)荷根據(jù)廢水量及污染物濃度進行分配見式（2）。

式中，F(xiàn)i為第i過程單元的廢水污染物負(fù)荷，F(xiàn)總為企業(yè)廢水污染物總負(fù)荷；Qi為第i過程單元的廢水量，Q總為企業(yè)生產(chǎn)廢水總量；Ci為第i過程單元的廢水污染物濃度，C總為企業(yè)生產(chǎn)廢水污染物濃度。

由于能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)采用eFootprint系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)庫或科技文獻數(shù)據(jù)代替，且環(huán)境排放已分配至不同過程單元中，電廠本身所需能源的環(huán)境影響折算至產(chǎn)品系統(tǒng)中可忽略不計。本課題按廢紙制漿、抄紙過程、化學(xué)品生產(chǎn)、原料產(chǎn)品運輸、廢水處理5個過程進行數(shù)據(jù)分析處理。最終得到由廢紙生產(chǎn)的1000 kg瓦楞原紙為功能單位的清單結(jié)果，即生產(chǎn)1000 kg瓦楞原紙在各過程單元中資源消耗、能源消耗和氣體、水體、固體廢棄物的環(huán)境排放情況，結(jié)果如表2所示。

表2 廢紙生產(chǎn)瓦楞原紙生命周期清單結(jié)果Table 2 Results of life cycle list of corrugating medium produced by waste paper

1.5 生命周期影響評價

生命周期影響評價過程包含環(huán)境類別識別和類別指標(biāo)的選擇、分類、特征化、歸一化、加權(quán)等過程，其中歸一化、加權(quán)是可選步驟，歸一化和加權(quán)過程操作含有較大主觀因素會對評價結(jié)果產(chǎn)生較大影響。故在評價過程中只考慮特征化這一階段。結(jié)合瓦楞原紙產(chǎn)品生命周期清單結(jié)果，對生產(chǎn)1000 kg瓦楞原紙在各過程單元中所引起的全球氣候變暖（Global Cli?mate Change,GWP）環(huán)境問題進行研究。經(jīng)eFootprint系統(tǒng)計算后，各過程單元貢獻量如圖2所示，各過程單元對氣體污染物貢獻率如圖3所示。

圖2 生產(chǎn)過程單元對全球溫室氣體的貢獻量Fig.2 Contribution of production process unit to GWP

2 生命周期解釋

（1）按照B2B方法對廢紙生產(chǎn)1000 kg瓦楞原紙生產(chǎn)系統(tǒng)進行評價，可知生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放量為1226.79 kg CO2e。其中，廢紙制漿、抄紙過程是造紙行業(yè)造成全球氣候變暖的主要單元，分別占總貢獻度的32.6%和54.1%。主要因為生產(chǎn)過程單元中消耗大量煤、電力等能源載體，承擔(dān)了能源生產(chǎn)中的環(huán)境排放[15]。通過提高生產(chǎn)過程中可再生能源利用比例，可有效降低溫室氣體排放量[16-17]。

（2）從圖2及圖3可知，在全球氣候變暖貢獻中，CO2貢獻量最大，主要因為系統(tǒng)邊界內(nèi)溫室氣體排放主要來自生產(chǎn)過程，此過程單元中煤燃燒直接排放物和電力消耗間接排放物主要為CO2[18-19]?？赏ㄟ^改進工藝水平，通過余熱回收利用技術(shù)對蒸煮、干燥等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的余熱進行回收利用[20]，或利用生物質(zhì)能源代替化石能源等措施降低生產(chǎn)過程溫室氣體排放量[21]。

（3）從圖3可知，化學(xué)品生產(chǎn)以及原料產(chǎn)品運輸為CH4的重要來源，而廢水處理過程對各類氣體污染物影響都較小。

圖3 生產(chǎn)過程單元對溫室氣體排放貢獻率Fig.3 Contribution proportion of the GHGemissions in different unit processes

3 結(jié)論

（1）生產(chǎn)1000 kg瓦楞原紙產(chǎn)品對全球氣候變暖的影響主要來自廢紙制漿、抄紙過程單元能源消耗和化學(xué)品使用造成的CO2排放。建議改善以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，降低化石燃料使用比例，減少CO2等溫室氣體的排放。大力提高企業(yè)生產(chǎn)工藝水平，尋找替代原料產(chǎn)品，減少化學(xué)藥劑的使用。

（2）本研究在建模和評價過程中，存在缺陷和不足：①瓦楞原紙生命周期研究過程不完整，由于某些過程缺少數(shù)據(jù)或統(tǒng)一模式，研究中未能充分考慮這些過程的環(huán)境影響，造成了評價結(jié)果的不完整；②由于缺乏廢紙收集、過硫酸銨等原材料和輔料的生產(chǎn)，廢物管理的物耗、能耗，環(huán)境排放以及環(huán)境影響評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，故只能引用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行分析，使得評價結(jié)果不夠精確。