100%OCC生產(chǎn)的箱紙板碳足跡評價

張清文 陳 曦

(中國制漿造紙研究院，北京，100102)

人類的活動以及對自然資源如化石燃燒的利用排放了大量的溫室氣體 (GHG)，由此引發(fā)的溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖。氣候變化已被確定為未來幾十年各個國家、政府、商業(yè)界和居民所面臨的最大挑戰(zhàn)之一[1］。當(dāng)前我國造紙企業(yè)是高能耗企業(yè)，而且大多數(shù)企業(yè)消耗的能量是由化石燃料燃燒獲得的，我國造紙工業(yè)的能耗水平與國際先進(jìn)水平相比仍有相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｔ旒埞I(yè)面臨著節(jié)能減排的巨大壓力，發(fā)展低碳造紙、推行清潔生產(chǎn)是造紙工業(yè)發(fā)展的必由之路。

在造紙行業(yè)開展碳足跡評價，有助于準(zhǔn)確掌握造紙行業(yè)溫室氣體排放水平，識別減排的機(jī)會。碳足跡評價既可用于行業(yè)碳足跡評價，也可用于制漿造紙企業(yè)或者產(chǎn)品碳足跡評價。在發(fā)達(dá)國家已廣泛開展碳足跡評價研究，一些國家的行業(yè)協(xié)會、制漿造紙企業(yè)定期公布碳足跡數(shù)據(jù)。美國林紙協(xié)會 (AF＆PA)[2］公布2008年其成員生產(chǎn)工廠直接和間接溫室氣體排放為6450萬t，比2000年下降了26.7%，廢紙回收利用及減少填埋產(chǎn)生的避免排放為2100萬～2400萬t，填埋氣的回收利用產(chǎn)生的避免排放為2020萬t。加拿大空氣和河流改進(jìn)委員會 (Ncasi-Canada)[3］公布加拿大林產(chǎn)業(yè)在2005年制漿造紙工廠燃料消耗GHG直接排放為810萬t，購買電力間接排放為940萬t，紙和紙板后加工燃料消耗GHG直接排放為500萬t，購買電力間接排放為500萬t。2007年9月，歐洲造紙工業(yè)聯(lián)合會 (CEPI)[4］發(fā)布了 ENV-148-07紙和紙板產(chǎn)品碳足跡評價框架，用于指導(dǎo)造紙行業(yè)開展產(chǎn)品碳足跡評價。許多企業(yè)為展示在環(huán)境責(zé)任或企業(yè)責(zé)任方面的領(lǐng)導(dǎo)作用，依據(jù)該文件進(jìn)行了產(chǎn)品碳足跡評價并公布評價數(shù)據(jù)。芬蘭VTT技術(shù)研究中心[5］按照生命周期評價 (LCA)方法，評價商品針葉木漿GHG排放為271 kgCO2e，碳存儲為－3309 kgCO2e。芬蘭制漿企業(yè) Botnia公司[6］按照 CEPI ENV-148-07評價GHG排放為131 kgCO2e/t(風(fēng)干)，產(chǎn)品碳存儲為－1650 kgCO2e/t(風(fēng)干)。UPM 公司[7］報告 2011 年其漂白針葉木漿GHG排放為240 kgCO2e/t(風(fēng)干)，產(chǎn)品碳存儲為－3200 kgCO2e/t(風(fēng)干)。還有一些機(jī)構(gòu)對不同原料生產(chǎn)的產(chǎn)品或不同國家生產(chǎn)的同一品種產(chǎn)品進(jìn)行碳足跡比較，Norske Skog公司[8］對原生漿與回用纖維漿碳足跡進(jìn)行了比較，原生漿GHG排放為1260 kgCO2e/t(風(fēng)干)，回用纖維漿GHG排放為746 kgCO2e/t(風(fēng)干)。芬蘭 KCL Catharina Hohenthal＆Katri Behm[9］對100%原生漿和100%回用漿生產(chǎn)廁用衛(wèi)生紙的碳足跡進(jìn)行了比較，兩者GHG排放相差不大，分別為1214 kgCO2e/t(風(fēng)干)和1257 kgCO2e/t。加尼福尼亞大學(xué)Robert O Vos等人[10］對中國和美國生產(chǎn)的涂布紙進(jìn)行了碳足跡比較，結(jié)果表明中國產(chǎn)涂布紙溫室氣體排放為2478 kgCO2e/t，美國產(chǎn)涂布紙溫室氣體排放為1432 kgCO2e/t。

我國碳足跡評價尚在起步階段，有關(guān)碳足跡評價的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立，技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱。針對碳足跡評價，國家科技部“十二五”科技支撐計劃重點(diǎn)項目“碳排放和碳減排認(rèn)證認(rèn)可關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項目開展了對產(chǎn)品/服務(wù)碳足跡評價方法與技術(shù)展開系統(tǒng)研究，取得了一系列的研究成果，并形成了符合中國國情的產(chǎn)品/服務(wù)碳足跡評價方法與技術(shù)。目前造紙行業(yè)開展碳足跡評價研究工作較少。馬倩倩等人[11］對造紙產(chǎn)品碳足跡評價進(jìn)行了初步探討。陳誠等人[12］對我國制漿造紙業(yè)能源消耗與碳排放進(jìn)行了估算，2011年制漿造紙業(yè)總碳排放為149.74 Mt CO2e，噸紙CO2排放量為1543 kg CO2e。國內(nèi)開展造紙產(chǎn)品碳足跡評價較少，也鮮見產(chǎn)品碳足跡評價結(jié)果公布。2008年6月，APP(中國)[13］委托Camco環(huán)境咨詢公司對其公司主要活動進(jìn)行了溫室氣體評估，但未公布其產(chǎn)品碳足跡數(shù)據(jù)。

本文依據(jù)PAS 2050商品和服務(wù)全生命周期的溫室氣體排放評價規(guī)范及CEPI紙和紙板碳足跡評價框架文件，對以100%OCC為原料生產(chǎn)的箱紙板進(jìn)行了產(chǎn)品碳足跡評價，分析了生產(chǎn)各個過程GHG排放，評估結(jié)果對我國造紙行業(yè)碳排放核算及碳減排具有借鑒作用。

1 產(chǎn)品碳足跡評價方法

1.1 系統(tǒng)邊界

箱紙板生命周期從廢紙的收集開始，經(jīng)過廢紙制漿、箱紙板的抄造、復(fù)卷、包裝入庫，直至送到用戶或經(jīng)銷商，同時還包含能源生產(chǎn)、化學(xué)品生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)葐卧^程。由于箱紙板產(chǎn)品是下游企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的原料，形成產(chǎn)品后已改變了箱紙板的屬性，產(chǎn)品的使用和使用后廢棄物的處理不在本研究的系統(tǒng)邊界內(nèi)，即為“搖籃-到-大門”的方法。其中燃料開采、交通工具、基礎(chǔ)設(shè)施的生產(chǎn)不在本研究范圍內(nèi)。

箱紙板產(chǎn)品系統(tǒng)邊界包括以下過程:

(1)廢紙的收集主要是指廢紙在分揀站分揀、打包。

(2)廢紙制漿主要為廢紙碎解、篩選、洗滌、熱分散、纖維分級、打漿以及廢水處理等過程。

(3)箱紙板生產(chǎn)即為抄紙過程，主要包括配漿、成形、壓榨、干燥、卷取等過程。

(4)復(fù)卷及包裝過程為箱紙板產(chǎn)品的復(fù)卷、分切、包裝。

(5)運(yùn)輸主要包括廢紙的運(yùn)輸、化學(xué)品的運(yùn)輸、箱紙板產(chǎn)品運(yùn)輸至經(jīng)銷商或用戶及廢棄物的運(yùn)輸。

(6)化學(xué)品生產(chǎn)為制漿、抄紙過程中使用的輔助化學(xué)品的生產(chǎn)過程。

(7)包裝材料生產(chǎn)是生產(chǎn)產(chǎn)品包裝材料的過程。

(8)能源生產(chǎn)為制漿、抄紙等過程中使用的電力、蒸汽等能源的生產(chǎn)過程。

(9)廢水處理為制漿、抄紙廢水的處理。

1.2 功能單位選取

本研究選擇1000 kg箱紙板產(chǎn)品作為功能單位。

1.3 數(shù)據(jù)收集

1.3.1 初級活動水平數(shù)據(jù)

在確定的系統(tǒng)邊界內(nèi)，箱紙板產(chǎn)品生命周期包括3個階段:原料獲取階段，包括廢紙、化學(xué)品、包裝材料、能源、資源等的獲取及運(yùn)輸;生產(chǎn)階段，包括廢紙制漿、抄紙、廢水處理等過程;配送銷售階段，產(chǎn)品配送到一級經(jīng)銷商或用戶的運(yùn)輸過程。在進(jìn)行碳足跡評價時需要對這些過程的輸入、輸出的初級活動水平數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計。本研究采集了箱紙板工廠一年的活動數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、篩選，計算得到生產(chǎn)每噸箱紙板的輸入、輸出數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)略。

1.3.2 次級水平數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)計算過程中，由于某些原因，如某個過程不在組織控制、數(shù)據(jù)調(diào)研成本過高等原因?qū)е鲁跫壔顒铀綌?shù)據(jù)無法獲取。對于無法獲取初級活動水平數(shù)據(jù)的情況，尋求次級水平數(shù)據(jù)予以填補(bǔ)。例如本研究中，廢紙的收集及分類、化學(xué)品生產(chǎn)等過程不在組織的控制范圍內(nèi)，過程活動數(shù)據(jù)不能通過初級活動水平數(shù)據(jù)計算的方式得到。因此，在進(jìn)行碳足跡評價時采用次級活動數(shù)據(jù)。本研究中次級活動數(shù)據(jù)主要來源有ecoinvent數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)資料中的數(shù)據(jù)。

1.3.3 刪減原則

(1)本研究的刪減原則為單一排放源占排放總量不到1%的，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放不予考慮。但是，刪減的排放源的總比例不得超過整個產(chǎn)品碳足跡的5%。

(2)PAS 2050規(guī)定資產(chǎn)性商品生產(chǎn)所產(chǎn)生的排放不應(yīng)納入產(chǎn)品生命周期內(nèi)GHG排放。本研究對生產(chǎn)設(shè)備與建筑設(shè)施相關(guān)的生產(chǎn)、維護(hù)過程也不予以考慮。

1.3.4 分配原則

本研究中本著盡量避免分配的原則，在無法避免的情況下，采用相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行分配。分配方法為:①根據(jù)企業(yè)調(diào)研情況，所用廢紙來源于美國、歐洲及國內(nèi)，因此不同運(yùn)輸方式產(chǎn)生的排放根據(jù)廢紙來源地的用量及運(yùn)輸方式進(jìn)行分配。②生產(chǎn)過程中，蒸汽、電力等能源消耗的分配依據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)量進(jìn)行分配;對能源生產(chǎn)過程中所排放的污染物的分配，根據(jù)各單元過程的能源消耗量進(jìn)行分配。

1.4 產(chǎn)品碳足跡計算

碳足跡計算方法為:①用活動水平數(shù)據(jù)乘以該活動的排放因子，得到各溫室氣體的排放量。②用上述的GHG排放量乘以相應(yīng)的全球變暖潛勢值(GWP)，將GHG排放量換算為CO2當(dāng)量的排放。③各計算結(jié)果相加獲得每個功能單位的按CO2當(dāng)量表示的GHG排放量。

2 產(chǎn)品碳足跡的評價

根據(jù)上述計算步驟及初級活動水平數(shù)據(jù)和次級水平數(shù)據(jù)，計算得到系統(tǒng)邊界內(nèi)各單元過程的GHG排放量。

2.1 產(chǎn)品碳存儲量的計算

箱紙板在形成產(chǎn)品后，加工成各種紙箱、紙盒等包裝物，用于包裝各種產(chǎn)品。當(dāng)這些產(chǎn)品經(jīng)出售或消費(fèi)后，包裝物便廢棄。一部分通過回收利用，用于生產(chǎn)箱紙板，余下部分形成廢棄物，通過自然降解、填埋、焚燒等方式進(jìn)行處理。箱紙板在形成產(chǎn)品后在一定時間內(nèi)產(chǎn)生碳存儲效益，另外通過回收利用，延長了其生命周期，增加了碳存儲效益。根據(jù)PAS 2050附錄[1］中產(chǎn)品碳存儲影響的加權(quán)平均值計算規(guī)定計算生物碳儲存。

計算產(chǎn)品碳存儲時做以下假設(shè):箱紙板產(chǎn)品生產(chǎn)后的壽命為2年，2年后開始廢棄，部分廢棄產(chǎn)品通過回收進(jìn)行利用。目前國內(nèi)的廢紙回收率為43.8%，此后每年箱紙板可利用量逐漸減少，分別為19.2%、8.4%、3.7%、1.6%，經(jīng)過5次回收利用后，箱紙板完全廢棄。碳儲存效益的加權(quán)系數(shù)按公式(1)計算。

箱紙板碳儲量計算基于以下數(shù)據(jù):

箱紙板產(chǎn)品的水分含量為9%，根據(jù)IPCC[14］推薦的紙和紙板中碳含量為46%，可降解有機(jī)碳為44%，因此碳含量即為可降解有機(jī)碳含量44%。

每生產(chǎn)1000 kg箱紙板排放的纖維性廢渣為18.8 kg(絕干)，用于瓦楞原紙抄造，也形成了產(chǎn)品碳存儲。

由此，1000 kg箱紙板產(chǎn)品中固定的CO2量為:

(1000+18.8)× (1－0.09)×0.44×44/12=1495.7(kgCO2e)。

生產(chǎn)1000 kg箱紙板碳存儲=1495.7×2.767%=41.4(kgCO2e)。

2.2 廢紙收集、分類GHG排放

廢紙在收集、分類過程中需進(jìn)行運(yùn)輸、分揀、打包等過程，會產(chǎn)生GHG排放。

由初級活動數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到1000 kg箱紙板需要消耗1157 kg廢紙，根據(jù)ecoinvent數(shù)據(jù)庫中廢紙收集、分類排放因子，計算GHG排放量為139.9 kgCO2e/t。

2.3 廢紙制漿過程GHG排放

廢紙制漿過程GHG排放，主要源自過程所消耗的水、電、蒸汽、化學(xué)品生產(chǎn)等所產(chǎn)生的GHG排放，計算結(jié)果為345.3 kgCO2e/t。

2.4 抄紙過程GHG排放

抄紙過程GHG排放，主要源自生產(chǎn)過程所消耗的水、電、蒸汽、化學(xué)品及包裝物生產(chǎn)等所產(chǎn)生的排放，計算結(jié)果為1111.6 kgCO2e/t。

2.5 廢水處理過程GHG排放

廢水經(jīng)厭氧處理，便會造成CH4排放，同時產(chǎn)生N2O。廢水處理的CO2排放因是生物成因，不予以考慮。廢水及其淤渣成分，如果厭氧降解就會產(chǎn)生CH4。CH4的生成量主要取決于廢水中可降解有機(jī)材料量、溫度以及處理系統(tǒng)的類型。確定廢水中CH4產(chǎn)生潛勢的主要因子是廢水中可降解有機(jī)材料的數(shù)量。用于測量廢水有機(jī)成分的常見參數(shù)有生化需氧量(BOD)和化學(xué)需氧量 (COD)。

本研究中的廢水處理過程中采用了厭氧處理，產(chǎn)生的CH4未收集。根據(jù)工廠提供的初級活動水平數(shù)據(jù)，進(jìn)行厭氧處理前COD濃度為1500～1600 mg/L，計算時按1550 mg/L取值，每噸紙產(chǎn)生的廢水量為10.1 m3，則 COD處理量為 15.67 kg。根據(jù)公式(2)[14］計算排放因子。

式中，EF為排放因子，單位kgCH4/kgCOD;B0為最大CH4產(chǎn)生能力，單位kgCH4/kgCOD;MCF為甲烷修正因子 (比例)，表示CH4產(chǎn)生潛勢B0的范圍，因此它又表明系統(tǒng)的厭氧程度;對于B0，本研究中采用IPCC[14］推薦值，為0.25 kgCH4/kgCOD，MCF 為0.5。

計算得到CH4排放因子為:0.25×0.5=0.13 kgCH4/kgCOD;根據(jù)公式 (3)[14］計算CH4排放量。

式中，ECH4為CH4排放量，單位kgCH4;TOW為廢水中可降解有機(jī)材料總量，單位kgCOD;S為以污泥清除的有機(jī)成分，單位kgCOD;EF為排放因子，單位kgCH4/kgCOD;R為收集的CH4量，單位kgCH4。

計算得到 CH4產(chǎn)生量15.67×0.13=2.04 kg，為50.91 kgCO2e。由于以污泥清除的有機(jī)成分?jǐn)?shù)據(jù)無法獲取，這里假設(shè)為0。企業(yè)未對產(chǎn)生的CH4進(jìn)行收集利用，因此R也為0。

源自廢水排放的N2O排放量可以通過公式(4)[14］計算。

式中，N2O排放為N2O排放量，單位kgN2O;N廢水為排放到水生環(huán)境廢水中的氮含量，單位kgN;EF廢水為源自廢水的 N2O排放的排放因子，單位kgN2O-N/kgN;44/28為 kgN2O-N到kgN2O的轉(zhuǎn)化;對于 EF廢水，IPCC缺省因子為0.005 kgN2O-N/kgN。排放廢水的氨氮濃度為0.33 mg/L，根據(jù)式 (4)計算得到處理每噸紙產(chǎn)生的廢水N2O排放為1.37E-05 kg，相當(dāng)于0.004 kgCO2e。

由上可知，廢水處理產(chǎn)生的GHG排放為50.9 kgCO2e/t。

2.6 運(yùn)輸產(chǎn)生的GHG排放

運(yùn)輸過程包括原料、化學(xué)品、產(chǎn)品及廢棄物的運(yùn)輸，運(yùn)輸工具包括輪船和汽車，根據(jù)運(yùn)輸數(shù)量、運(yùn)輸距離及運(yùn)輸工具對應(yīng)的排放因子，計算生產(chǎn)1000 kg箱紙板所需的原料、產(chǎn)品、廢棄物運(yùn)輸產(chǎn)生的GHG排放量合計為130.7 kgCO2e/t。

2.7 固體廢棄物處理產(chǎn)生的GHG排放

生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體主要有:a.鐵絲、塑料、繩等混合物，由具有回收資質(zhì)的公司回收，用途未知;b.砂石、玻璃等無機(jī)廢棄物，外賣，用于制造建筑材料;c.含有纖維的廢渣、污泥，用于抄造瓦楞原紙。

由于第a、b類廢棄物用途未知，未評價其GHG排放。第c類廢棄物處理GHG排放計算如下。

生產(chǎn)1000 kg箱紙板排放的纖維性廢渣為18.8 kg(絕干)，用于瓦楞原紙抄造，噸紙耗電280 kWh，耗汽4.4 GJ，計算得到處理廢棄物溫室氣體排放為20.2 kgCO2e/t。

3 結(jié)果及分析

3.1 按單元過程劃分生命周期的計算結(jié)果

選取以1000 kg箱紙板產(chǎn)品為功能單位，對以O(shè)CC生產(chǎn)的箱紙板進(jìn)行碳足跡評價，包括從廢紙的收集、運(yùn)輸、廢紙制漿、箱紙板的抄造、復(fù)卷、包裝入庫，直至送到一級經(jīng)銷商或用戶，同時還包含能源生產(chǎn)、化學(xué)品生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)葐卧^程，即為從“搖籃-到-大門”的方法。通過收集的初級數(shù)據(jù)和次級數(shù)據(jù)，計算得到1000 kg箱紙板產(chǎn)品的碳足跡結(jié)果，見表1。

生命周期各過程GHG排放量柱狀圖見圖1，各過程所占比例見圖2。

3.2 結(jié)果分析

(1)本研究按照從“搖籃-到-大門”的方法對箱紙板產(chǎn)品碳足跡進(jìn)行了評價，包括的過程有廢紙的收集及分類、廢紙制漿、箱紙板的抄造、復(fù)卷、分切、包裝入庫，直至送到經(jīng)銷商或用戶，同時還包含能源生產(chǎn)、化學(xué)品生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)葐卧^程。生產(chǎn)1000 kg箱紙板GHG排放為1798.2 kgCO2e，產(chǎn)品碳存儲為－41.4 kgCO2e。

表1 1000 kg箱紙板產(chǎn)品碳足跡計算結(jié)果

圖1 生命周期各過程GHG排放量

圖2 生命周期各階段GHG排放量所占比例圖

(2)GHG排放最大的過程是抄紙過程，占GHG排放量的61.7%;其次是廢紙制漿過程，占19.2%，兩者合計占總排放量的80.9%。抄紙和制漿是主要的排放過程，排放源主要來自電和蒸汽的消耗。

(3)化學(xué)品(如施膠劑、膨潤土)及包裝物(如紙芯)的用量很少，這些材料的生產(chǎn)所產(chǎn)生的排放合計占GHG排放的0.3%，按照刪減原則，這些排放源可以舍去。化學(xué)品的運(yùn)輸GHG排放為4.3 kgCO2e，占GHG排放的0.2%，按照刪減原則，這些排放源可以舍去。兩者共計占GHG排放的0.5%。

4 結(jié)論

以生命周期評價為基礎(chǔ)，依據(jù)PAS2050商品和服務(wù)全生命周期的溫室氣體 (GHG)排放評價規(guī)范及歐洲造紙工業(yè)聯(lián)合會 (CEPI)紙和紙板碳足跡評價框架文件，建立了箱紙板產(chǎn)品碳足跡評價方法，對我國某工廠以100%OCC為原料生產(chǎn)的箱紙板進(jìn)行了產(chǎn)品碳足跡評價，該生產(chǎn)工藝在我國的包裝用紙行業(yè)具有典型性，得到了箱紙板產(chǎn)品生命周期各個單元過程GHG排放量。結(jié)果表明抄紙和制漿是主要的排放過程，排放源主要來自電和蒸汽的消耗，因此造紙工業(yè)提高能源利用效率、降低單位產(chǎn)品能耗是推行低碳造紙的必由之路。

[1]PAS 2050:2001 Specification for the assessment of the life cycle greenhouse gas emissions of goods and services[S］.PAS 2050:2008商品和服務(wù)在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放評價規(guī)范[S］.

[2]American Forest＆ Paper Association[R］.2010 AF＆PA Sustainability Report.Sustainability:a foundation of the forestproducts industry，2010.

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[14]IPCC.Guidelines for National Greenhouse Inventories Vol 5:Waste.Intergovernmental Panel on Climate Change，2006.IPCC.國家溫室氣體清單指南 第五卷:廢棄物[S］.國家政府間氣候變化專門委員會，2006.