循環(huán)包裝箱全生命周期碳足跡計(jì)算方法研究

任姝珩，張媛，朱磊，劉笑，江東何

循環(huán)包裝箱全生命周期碳足跡計(jì)算方法研究

任姝珩，張媛，朱磊，劉笑，江東何

（北京印刷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京 102600）

針對(duì)目前循環(huán)箱碳足跡的計(jì)算缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)且相關(guān)研究較少，使循環(huán)箱的環(huán)保價(jià)值存疑的問題，本文對(duì)循環(huán)包裝箱的碳足跡進(jìn)行研究，旨在建立一種適用于循環(huán)包裝的基于生命周期評(píng)價(jià)（LCA）方法的碳排放計(jì)算模型。基于全生命周期評(píng)價(jià)方法，參考國(guó)內(nèi)A循環(huán)包裝企業(yè)B2B應(yīng)用場(chǎng)景，采用eFootprint軟件及數(shù)據(jù)庫量化分析。由于聚丙烯材料具有可循環(huán)利用的特點(diǎn)，在快遞循環(huán)包裝中廣泛應(yīng)用，本文以聚丙烯材料的循環(huán)箱為例進(jìn)行碳足跡的研究。以1 m2的循環(huán)快遞包裝箱為功能單位，采用“從搖籃到墳?zāi)埂钡姆椒▽?duì)其生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、回收等過程的物耗、能耗及環(huán)境排放進(jìn)行環(huán)境影響量化比較。研究評(píng)價(jià)分析了各個(gè)單元過程中對(duì)全球變暖潛值這一環(huán)境指標(biāo)的貢獻(xiàn)值。結(jié)果顯示，循環(huán)包裝箱碳排放貢獻(xiàn)主要來源于4個(gè)方面：循環(huán)使用過程運(yùn)輸排放，約占總排放的57.95%；其次為原材料聚丙烯，約占總排放的24.25%；電力排放包括生產(chǎn)、清洗2個(gè)階段的電力，占總排放的11.71%；報(bào)廢后垃圾焚燒處理過程排放，占總排放的5.33%。使用近50次的二氧化碳當(dāng)量為9.854 1 kg/m2。循環(huán)包裝單次使用排放低于相同面積單位5層瓦楞紙箱的碳排放，說明在理想條件下循環(huán)包裝具有較高的環(huán)保價(jià)值。

快遞循環(huán)包裝；生命周期評(píng)價(jià)；碳足跡；聚丙烯材料

隨著電商行業(yè)的蓬勃發(fā)展，中國(guó)快遞行業(yè)的數(shù)額激增，2020年我國(guó)快遞業(yè)務(wù)量達(dá)到了833.6億件[1]?？爝f包裝已經(jīng)成為城市垃圾新增的主要原因，是塑料污染的重要來源。2020年1月的國(guó)家發(fā)改委等發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》中提出“以連鎖商超、大型集貿(mào)市場(chǎng)、物流倉儲(chǔ)、電商快遞等為重點(diǎn)”“積極推廣可循環(huán)、可折疊包裝產(chǎn)品和物流配送器具”。2021年，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》。為順應(yīng)一系列減排政策，以聚丙烯為主要原料的可循環(huán)利用的快遞包裝箱逐步發(fā)展[2]。截至目前，關(guān)于循環(huán)包裝箱碳排放的計(jì)算缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且相關(guān)領(lǐng)域的研究較少，存在著關(guān)于循環(huán)包裝是否真正環(huán)保等種種疑問。要解決這些問題，就需要研究循環(huán)包裝物的碳足跡。

研究循環(huán)包裝箱的環(huán)境影響大小，可以借助生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）方法[3-5]進(jìn)行量化分析。國(guó)內(nèi)外許多的學(xué)者使用生命周期評(píng)估方法對(duì)包裝物的碳足跡進(jìn)行研究。

年鶴等[6]研究瓦楞紙箱生產(chǎn)碳足跡的計(jì)算方法，計(jì)算了３種瓦楞紙箱生產(chǎn)的碳排放量并進(jìn)行了分析。耿會(huì)君等[7]歸納了快遞包裝箱循環(huán)利用中產(chǎn)生碳足跡的環(huán)節(jié)，分析了存在的問題并提出了減碳的對(duì)策。王志慧等[8]對(duì)紙塑鋁復(fù)合包裝的生命周期碳足跡進(jìn)行研究，得出紙板、鋁箔和塑料的生產(chǎn)碳排放達(dá)80%以上的結(jié)論。潘生林等[9]研究跨境再生HDPE生產(chǎn)塑料罐包裝的碳足跡，證明再生塑料資源的利用可明顯改善生產(chǎn)過程的碳足跡。趙昱等[10]評(píng)價(jià)了白紙板和聚丙烯2種化妝品包裝盒的環(huán)境影響，得出兩者中首選材料是白紙板的結(jié)論。鞏桂芬等[11]對(duì)比了2款包裝箱，得出鋼邊箱比傳統(tǒng)木箱更具有環(huán)境友好性的結(jié)論。孫丹妮等[12]研究了牛皮淋膜紙和聚乙烯（PE）2種書籍包裝袋的環(huán)境影響并分析了兩者利弊。Robertson等[13]為Zespri評(píng)估獼猴桃包裝和運(yùn)輸供應(yīng)鏈在日本和德國(guó)銷售的生命周期碳足跡，提出減少二次包裝、長(zhǎng)途運(yùn)輸使用火車以及提高包裝回收率的建議，以達(dá)到減少排放的目的。

1 背景與假設(shè)

1.1 循環(huán)箱生產(chǎn)模型

由于聚丙烯材質(zhì)的特殊性，循環(huán)箱體能夠重復(fù)利用，廢棄后仍能回收利用。生產(chǎn)過程如下：以全新和再生的聚丙烯（Polypropylene，PP）樹脂顆粒為原料，按一定比例加入混料機(jī)混料后吸入料斗中，經(jīng)電力加熱成熔融狀態(tài)后擠出，經(jīng)冷卻水冷卻定型后由片材機(jī)收卷；隨后，片材經(jīng)成型機(jī)壓制、模切機(jī)模切定型后進(jìn)行油墨印刷；最后使用聲波熱熔技術(shù)焊接成箱。

1.2 循環(huán)箱運(yùn)營(yíng)模型

循環(huán)箱運(yùn)營(yíng)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景主要涉及B2B和B2C這2種模式。由于國(guó)內(nèi)目前針對(duì)循環(huán)箱的整體運(yùn)營(yíng)模式及回收體系尚不成熟，B2C的運(yùn)營(yíng)模式目前在企業(yè)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用較少。本次研究的循環(huán)箱使用過程均在企業(yè)B2B運(yùn)營(yíng)模式[14]下，流程如圖1所示。

圖1 循環(huán)包裝箱B2B循環(huán)運(yùn)營(yíng)模式

2 建模與數(shù)據(jù)收集

2.1 研究方法與流程

研究采用LCA軟件eFootprint建立生命周期模型，運(yùn)用軟件中手動(dòng)建模方式，利用企業(yè)實(shí)景數(shù)據(jù)和軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行清單數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和生命周期數(shù)據(jù)追溯。對(duì)快遞循環(huán)包裝的產(chǎn)品碳足跡而言，遵循從評(píng)價(jià)模型構(gòu)建，到模型評(píng)估計(jì)算，最終針對(duì)碳足跡分布和計(jì)算結(jié)果，提出低碳改進(jìn)措施。

2.2 目標(biāo)與范圍定義

研究數(shù)據(jù)以1 m2聚丙烯板材所生產(chǎn)的快遞循環(huán)包裝箱產(chǎn)品為數(shù)據(jù)單元進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)清單的收集，所研究的碳足跡范圍是從搖籃到墳?zāi)沟腫15]。B2B模式中企業(yè)使用主要在固定地點(diǎn)，排放很少且數(shù)據(jù)不易收集，因此本文忽略了消費(fèi)者（企業(yè)）使用部分排放。

循環(huán)包裝的系統(tǒng)邊界確定為：由循環(huán)包裝原材料、生產(chǎn)、循環(huán)使用、回收的一系列單元過程流組成的集合，包括原材料生產(chǎn)和運(yùn)輸，循環(huán)包裝的生產(chǎn)、運(yùn)輸、回收、盤點(diǎn)、清洗等過程中直接和間接的溫室氣體排放如圖2所示。

2.3 生命周期清單分析

2.3.1 原材料

研究選取包裝企業(yè)A某循環(huán)箱型作為示例進(jìn)行箱體數(shù)據(jù)的測(cè)算與收集，其基本信息：箱體尺寸為294 mm×243 mm×240 mm，質(zhì)量0.535 kg，展開面積為0.525 m2，印刷面積為0.034 1 m2，定量為1.02 kg/m2。循環(huán)箱板材利用率約85%，1 m2消耗原材料1.2 kg，損耗部分進(jìn)行粉碎再生。表1給出了單位面積輸入材料及原料運(yùn)輸數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫資料與文獻(xiàn)[11,16-19]，加權(quán)平均得到聚丙烯的排放系數(shù)為2.99。聚丙烯再生料來源于廢品，滿足cut-off規(guī)則。

2.3.2 包裝生產(chǎn)

該循環(huán)箱生產(chǎn)過程中所有的工藝步驟使用能源均為電力。A企業(yè)工廠2020年在生產(chǎn)循環(huán)包裝過程中所耗電量為1 001 416.653 kW·h。工廠冷卻塔中的循環(huán)水量為0.5 m3/h，循環(huán)過程水量損耗率為10%。參照《浙江省重點(diǎn)行業(yè) VOCS 污染排放源排放量計(jì)算方法(1.1 版)》，塑料板制造工序VOCs的排放系數(shù)為0.539 kg/t，1 m2循環(huán)箱所需PP原料用量為1.2 kg，則單位VOCs產(chǎn)生量約為0.65×10?3kg/m2，廢氣VOCs的碳排放計(jì)算默認(rèn)使用原油的碳排放因子74 100 kg/TJ[20]。印刷工序使用水性油墨與水的體積比為1∶1進(jìn)行稀釋，參考《廣東省重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）計(jì)算方法（試行）》計(jì)算油墨VOCs含量為0.39×10?3kg。廢氣在生產(chǎn)與印刷部分進(jìn)行局部排風(fēng)收集，收集率為40%。采用活性炭吸附方式進(jìn)行處理，處理效率為60%，可知VOCs吸附量為0.25×10?3kg，所需的活性炭用量為1×10?3kg，可知廢活性炭約為1.25×10?3kg，由專業(yè)單位處理再生。計(jì)算過程中忽略了人員因素。

圖2 快遞循環(huán)包裝箱的碳足跡研究系統(tǒng)邊界

表1 包裝原材料清單

Tab.1 List of packaging raw materials

1 m2聚丙烯包裝物生產(chǎn)階段的輸入清單見表2。生命周期清單的數(shù)據(jù)來源于企業(yè)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)[18,21-22]以及CLCD數(shù)據(jù)庫。

2.3.3 循環(huán)使用

這一部分主要包括循環(huán)箱循環(huán)使用過程中的運(yùn)輸、清洗2個(gè)流程。其中，清洗過程是為了洗去箱子上的標(biāo)簽，保證循環(huán)箱能順利投入下次使用。以A企業(yè)為例，根據(jù)20批循環(huán)箱的循環(huán)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)（調(diào)研主要針對(duì)上海及周邊客戶）分別估算其中20個(gè)循環(huán)包裝箱樣本運(yùn)輸?shù)睦锍虜?shù)（主要包括工廠、客戶以及清洗中心3個(gè)地點(diǎn)循環(huán)使用的運(yùn)輸過程），樣本里程數(shù)據(jù)如圖3所示。平均循環(huán)總里程數(shù)為34 572.45 km，平均循環(huán)次數(shù)為49次，平均清洗次數(shù)也按49次計(jì)算。單位面積清洗過程消耗電力為669×10?3kW·h，耗水量為0.15 m3。

2.3.4 回收過程

廢棄過程的排放主要包括垃圾處理部分。聚丙烯循環(huán)箱的材料理論上可通過再生料的方式實(shí)現(xiàn)100%循環(huán)利用，但由于存在箱體遺失、塑料老化等問題，存在報(bào)廢后無法再次回收利用而作廢棄處理的情況。本次研究保守估計(jì)，在該流程中每次有75%的廢棄塑料箱進(jìn)入回收流程，經(jīng)過處理后作為再生材料再次用于生產(chǎn)。除此以外，因塑料老化等原因報(bào)廢的塑料箱假設(shè)占比為25%。

此外，生產(chǎn)階段產(chǎn)生廢活性炭交由專業(yè)機(jī)構(gòu)處理再生，數(shù)據(jù)難以獲取，因此根據(jù)活性炭再生環(huán)評(píng)報(bào)告估算其處理（熱氮?dú)饷摳絒22]等）消耗電力約為2.91×10?4kW·h。

3 計(jì)算模型與數(shù)據(jù)核算

3.1 碳排放計(jì)算模型

根據(jù)確定的生命周期清單過程，確定各個(gè)過程的碳排放計(jì)算方式，各個(gè)過程計(jì)算式如表3所示。循環(huán)包裝箱總計(jì)碳排放量為各過程碳排放量的累加。

表2 循環(huán)包裝箱生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)清單

Tab.2 Data list for production process of circulating packaging

圖3 樣本循環(huán)次數(shù)及里程數(shù)

表3 循環(huán)包裝箱碳排放計(jì)算模型

Tab.3 Calculation model for carbon emission of circulating packaging boxes

3.2 計(jì)算模型分析

3.2.1 原材料生產(chǎn)排放

原材料生產(chǎn)階段排放可以使用排放因子法進(jìn)行計(jì)算，以其原材料的數(shù)量乘以對(duì)應(yīng)碳排放因子得到：

3.2.2 電力排放

根據(jù)各區(qū)域電網(wǎng)電力排放因子可得，華東地區(qū)碳排放因子為0.703 5 kg/(kW·h)。碳排放量的計(jì)算方式為電力用量與其對(duì)應(yīng)碳排放因子的乘積，公式見式（11）。

3.2.3 運(yùn)輸過程排放

循環(huán)包裝各個(gè)運(yùn)輸過程的碳排放根據(jù)不同運(yùn)輸車輛類型分別計(jì)算，計(jì)算式見式（12）。

本文原材料及成品運(yùn)輸?shù)木褂弥行筒裼拓涇嚕ㄝd質(zhì)量為10 t），其碳排放因子為0.162 kg /(t·km)。

3.2.4 廢棄過程排放

垃圾焚燒的溫室氣體排放估算方法參考IPCC。

垃圾自身燃燒產(chǎn)生的CO2排放量見式（13）。

3.3 LCA結(jié)果與分析

采用e–Footprint軟件結(jié)合CLCD基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計(jì)算研究。將上述清單分析計(jì)算結(jié)果特征化，獲得循環(huán)包裝箱的全球氣候變化潛值（Global Warming Potential，GWP）這一類環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)果，其各個(gè)單元過程排放數(shù)據(jù)如表4所示，數(shù)據(jù)單元為1 m2。

表4 循環(huán)包裝箱單元過程碳排放貢獻(xiàn)

Tab.4 Cumulative contribution in unit process of circulating packaging boxes

注：碳排放因子數(shù)據(jù)來自CLCD數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)[23]、文獻(xiàn)[24-25]及環(huán)評(píng)報(bào)告。

綜上可知，1 m2循環(huán)包裝箱碳排放量為9.854 1kg，單次排放小于五層瓦楞紙箱[6,26]。其主要碳排放貢獻(xiàn)來源于循環(huán)運(yùn)輸與原材料聚丙烯。循環(huán)使用過程中，貨車運(yùn)輸占總排放的57.95%，原材料聚丙烯占總排放的24.25%，工廠電力排放（包括生產(chǎn)、清洗階段）占總排放的11.71%，垃圾焚燒處理過程排放占總排放的5.33%。

4 結(jié)語

在全生命周期的計(jì)算條件下，循環(huán)包裝箱循環(huán)使用近50次全生命周期排放量約為9.854 1 kg/m2，單次排放約為0.201 kg/m2，結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同單位使用一次五層瓦楞紙紙箱的排放。說明在本文假設(shè)前提下循環(huán)包裝的環(huán)保效益較高。

對(duì)于循環(huán)包裝箱的碳足跡，貢獻(xiàn)從大到小依次為運(yùn)輸、原材料、電力和垃圾處理。針對(duì)這幾點(diǎn)對(duì)循環(huán)包裝箱提出減排建議：原材料為聚丙烯，基于循環(huán)的特點(diǎn)很難改進(jìn)原材料，但對(duì)于箱體可以盡量減少色母、油墨等材料的使用，這樣不僅能提高回收率，也使得回收利用的再生料性能更佳，可在一定程度上提高生產(chǎn)過程中再生料比例，從而降低聚丙烯新料用量，達(dá)到減排的效果；在生產(chǎn)、清洗等過程中控制電力使用，盡量節(jié)約用電，從而達(dá)到減排的目的；對(duì)于運(yùn)輸過程，使用新能源物流車進(jìn)行運(yùn)輸或可減少排放。

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Calculation Method of Life Cycle Carbon Footprint of Circulating Packaging

REN Shu-heng, ZHANG Yuan, ZHU Lei, LIU Xiao, JIANG Dong-he

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China)

Based on the lack of uniform standards for calculation of carbon footprint of circulating boxes and the lack of relevant research, which make the environmental value of circulating boxes questionable, the work aims to study the carbon footprint of circulating boxes, to establish a carbon emission calculation model based on the life cycle assessment (LCA) method applicable to circulating packaging. Based on the full life cycle assessment method and referring to the B2B application scenarios of domestic circulating packaging enterprise A, eFootprint software and database were used for quantitative analysis. Due to the recyclability of polypropylene material, it was widely used in circulating packaging of express. With the circulating box of polypropylene material as an example, the carbon footprint was studied. With a 1 m2circulating express packaging box as the functional unit, the method of "from cradle to grave" was adopted to quantitatively compare the material consumption, energy consumption and environmental impact of its production, operation, recycling and other processes. The contribution value of each unit process to the global warming potential, an environmental indicator, was evaluated and analyzed. The results showed that the contribution of carbon emissions from circulating packaging mainly came from four aspects: the transport emissions from the recycling process, accounting for 57.95% of the total emissions; followed by raw material polypropylene, accounting for 24.25% of the total emissions; electric power emission, including power generated in production and cleaning, accounting for 11.71% of the total emissions; and waste incineration process after scrapping, accounting for 5.33% of the total emissions.The CO2equivalent of using nearly 50 times was 9.854 1 kg/m2. The carbon emission in single use of the circulating packaging is far lower than that of the 5-layer corrugated box with the same area unit, indicating that the recycling packaging has high environmental protection value under ideal conditions.

circulating packaging of express; life cycle assessment; carbon footprint; polypropylene material

TB484.3

A

1001-3563(2023)13-0245-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.029

2023?02?02

北京市教委–市自然基金委聯(lián)合資助項(xiàng)目（KZ202210015020）

任姝珩（1998—），女，碩士生，主攻物流包裝循環(huán)調(diào)度和碳足跡。

朱磊（1982—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄苎h(huán)包裝、生物降解材料。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋