廢棄手機回收處理系統生命周期能耗與碳足跡分析

宋小龍,李 博,呂 彬,陳 欽,白建峰(1.上海第二工業大學電子廢棄物研究中心,上海 201209；2.上海電子廢棄物資源化協同創新中心,上海 201209；.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085)

廢棄手機回收處理系統生命周期能耗與碳足跡分析

宋小龍1,2*,李 博3,呂 彬3,陳 欽1,2,白建峰1,2(1.上海第二工業大學電子廢棄物研究中心,上海 201209；2.上海電子廢棄物資源化協同創新中心,上海 201209；3.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085)

以廢棄手機為研究對象,采用生命周期評價方法分析了當前我國廢棄手機回收處理系統的能耗和碳足跡.研究結果表明,廢棄手機回收處理全生命周期能耗與碳足跡分別為-1069.86MJ和-60.38kgCO2eq.再生材料產出是廢棄手機回收處理生命周期能耗和碳足跡最主要的貢獻來源,其對能耗和碳足跡的貢獻分別為 88.3%和 96.8%.敏感性分析顯示,提高互聯網在線回收平臺的日回收量及拆解部件和元器件的再使用比例,可有效降低廢棄手機回收處理系統的生命周期能耗和碳足跡.

電子廢棄物；廢棄手機；生命周期評價；碳足跡

受手機更新換代快、平均壽命期短、用戶數量大等因素影響,廢棄手機已成為產生數量最多的一類電子廢棄物[1].作為全球最大的手機生產地和消費國,我國廢棄手機的年產生量高達 7.99億部[2-3].廢棄手機含有豐富的可再生材料和多種有毒有害物質,兼具資源化價值與環境危害性,對其進行回收處理,可避免資源浪費和環境污染.由于廢棄手機回收價格低、占用空間小、個人信息多,約 47.1%的消費者選擇將其閑置在家[4],這導致大量廢棄手機未能得到妥善處理[5].據估算,2015年我國廢棄手機回收量約為2億部[6],與產生量還相去甚遠.另外,廢棄手機規模化的拆解處理能力尚未形成,“非正規軍”從事的不規范拆解處理活動所帶來的環境影響與健康風險不容忽視[7-8].

產業生態學方法正逐漸被引入電子廢棄物管理的研究與實踐中[9].作為重要的系統分析工具,生命周期評價(LCA)除可對產品生命周期潛在的環境影響進行評估,也常用于電子廢棄物的管理決策.通過對生命周期環境影響進行評價,有研究利用LCA對電子廢棄物資源化方案進行對比和篩選,涉及廢CRT顯示器[10-11]、廢液晶顯示器[12]及電子廢棄物中廢塑料[13]等.此外,采用LCA方法還可評估電子廢棄物資源化活動的生命周期環境效益,特別是碳減排效益[14-16].圍繞手機及其廢棄后的環境績效,Yu等[17]采用LCA方法對手機生命周期能耗進行了分析,指出在手機廢棄后開展再使用和再生利用,可有效降低全生命周期環境影響;Navazo等[18]對廢棄手機回收處理最佳可行技術進行了探討,定量分析了材料回收過程中的物質流和能量流,為開展生命周期評價和資源效率分析提供了數據基礎.

總體來看,目前針對電子廢棄物的生命周期研究大多是面向發達國家成熟的回收處理系統開展的.相比之下,我國電子廢棄物回收處理行業起步較晚,還處在正規與非正規部門并存[19-20]的發展初期,特別是有關廢棄手機等新型電子廢棄物的生命周期分析和定量化研究還不足,當前廢棄手機回收處理系統的環境績效和可持續發展水平也不清楚.本研究將關注我國廢棄手機回收處理系統的整體格局,選取典型企業和主流工藝開展生命周期評價,識別關鍵過程,并對參數設定進行敏感性分析,可為廢棄手機回收處理系統環境績效的量化與改進提供參考.

1 研究方法與數據獲取

1.1 評估方法

以廢棄手機為研究對象,圍繞其回收處理全過程開展生命周期評價.基于數據可獲得性,重點關注生命周期能耗和碳足跡兩類環境影響.生命周期能耗和碳足跡分別采用一次能源需求(PED)和全球變暖潛值(GWP)來表征,單位分別為 MJ和kgCO2eq.其中,碳足跡的核算采用IPCC第五次評估報告中有關 GWP 100a的當量因子：即CH4、N2O和CO2分別為28、265和1[21].

1.2 產品系統

1.2.1 廢棄手機生命周期 電子廢棄物回收處理過程是一類特殊的產品系統.電子廢棄物從報廢開始進入回收處理系統,經過收集、運輸、拆解、分選、再生等一系列流程,最終以零部件再使用、再生材料產出或填埋、焚燒等形式離開系統.在本研究中,廢棄手機的生命周期覆蓋從收集到最終處置的全過程,但在收集和再使用兩個環節與其他電子廢棄物有所不同.

目前,我國廢棄手機收集以傳統渠道回收和互聯網在線回收兩種形式同時存在.其中,傳統渠道回收主要包括以舊換新、維修商、售后服務中心、回收商販等形式;互聯網在線回收是基于互聯網技術和手機APP等開展廢棄手機等電子廢棄物的收集,通過線上交投和線下統一物流上門取件(或郵寄)的形式回收廢棄手機.

廢棄手機及其拆解后的部件和元器件大多具有再使用的潛力,這一點與其他電子廢棄物也存在差異.手機產品更新換代快,消費者的消費行為也受此影響.因此,部分廢棄手機在報廢時仍保留有完整的使用功能,可以直接整機再使用或經簡單修復后進行再使用.此外,廢棄手機拆解后的零部件如振動器、受話器、送話器、攝像頭以及各類芯片的通用性較高,經過拆解分類后也可用于部件再使用[22].

1.2.2 廢棄手機綜合模型 手機種類和類型較多,并且隨著功能的不斷擴展,其整體結構和零部件也有顯著變化.根據手機外形與結構差異,大致可分為小屏直板機、翻蓋機、滑蓋機和大屏機四大類.其中前三類的屏幕尺寸一般小于 2.5英寸,大屏機多為屏幕尺寸大于2.5英寸的智能機.

為開展廢棄手機回收處理系統的生命周期分析,本研究基于市場調查和典型回收企業調研,并結合拆解實驗分析,建立了綜合的廢棄手機模型,以反映當前廢棄手機在類型、重量、部件組成等方面的平均狀況(表1).通過獲取不同類型廢棄手機的市場占比、平均重量和拆解部件占比等數據,加權平均得到廢棄手機的單一綜合模型：整機重量 113.4g,其中,外殼 35.69g,電路板 20.74g,鋰電池 26.8g,液晶屏 8.66g,金屬件 11.87g,其他9.64g.

表1 廢棄手機綜合模型參數設定Table 1 Specifications of integrated waste mobile phone

1.3 范圍確定

1.3.1 功能單位 本研究中的廢棄手機含手機主體和鋰電池,不包括充電器、數據線、耳機等配件.在進行生命周期能耗和碳足跡分析時,功能單位確定為回收處理100部廢棄手機.

1.3.2 系統邊界 系統邊界覆蓋廢棄手機從回收到最終處置的全過程.具體來講,包括傳統渠道回收與轉運、互聯網在線回收與統一物流運輸、預分選、拆解、外殼破碎分選、電路板元器件脫除、電路板基板破碎分選、金屬材料再生、非金屬材料再生與處置、鋰電池處理、液晶屏處置以及其他部件處理等單元過程(圖1),按生命周期階段可劃分為回收(包括收集和運輸)、拆解、再生利用和末端處置4個主要環節.

在廢棄手機回收處理過程中,以電力為主的能源消耗和材料再生工藝中的輔助原料消耗是核算生命周期碳足跡的重要組成部分.因此,研究中將原材料生產和能源生產等作為背景過程納入到研究系統內.至于再生材料產出和元器件(部件)再使用,則采用環境負荷替代法,核算其避免的由相應原生材料和新品元器件(部件)生產引起的能源消耗與碳排放.

圖1 廢棄手機回收處理系統邊界Fig.1 System boundary of waste mobile phone treatment

1.3.3 關鍵假設 本研究只考慮來自消費端且進入回收處理系統的廢棄手機,不包括生產過程中的手機殘次品,也不考慮經簡單修復后可直接整機再使用的廢舊手機.

按照目前我國電子廢棄物拆解處理企業的分布現狀,本研究未考慮廢棄手機跨區域轉移和長距離運輸的可能,假定回收的廢棄手機在當地進行拆解處理和處置.在回收處理過程中,手機主體和鋰電池由于后續處理方式的不同,在分選過程中存在部分不同流向的情況,會導致運輸距離的不一致,由于此分流比例難以確定,本研究未將該過程納入考察范圍.

攝像頭、振子、聽筒、揚聲器等拆解部件以及脫除的電路板元器件,經檢測合格的部分,可作為再使用件進入其他產品系統.研究中假定這部分元器件和拆解部件功能完好,可替代全新的電子元器件或部件直接使用.

在開展能耗與碳足跡分析時,與大多數生命周期評價研究一樣,本研究也未考慮設備、機器、廠房等折舊與維護.

1.4 數據來源

可靠的清單數據是開展生命周期評價的基礎.本研究在進行廢棄手機回收處理生命周期能耗和碳足跡核算時,采用的數據以實際調研和典型企業生產數據為主.對于部分難以獲取一手數據的單元過程,以及電力生產、卡車運輸等背景數據.采用了公開發表文獻、PE-database和ecoinvent 3等商業數據庫中的基礎數據.關鍵過程具體數據來源及參數見表2.

廢棄手機傳統渠道回收和互聯網在線回收,分別來自實地調查和企業調研.根據對廣東某回收企業廢棄手機回收來源和回收量的分析,結合行業調查,將傳統渠道回收(維修點、商場以舊換新、回收商販)和互聯網在線回收的比例分別設定為85%和15%;廢棄手機拆解、破碎分選、電路板金屬再生等單元過程數據來自幾家典型拆解處理企業的實際生產數據;對于拆解部件和元器件的再使用潛力,根據企業調研,可再使用件的占比為 80%;破碎分選后的電路板非金屬粉末,一方面可以用于生產復合材料等,另一方面由于市場需求量小,大部分仍然采用填埋方式進行處置,這兩部分清單數據分別選用的是文獻數據和數據庫數據.此外,由于目前國內缺乏實際運行中的手機鋰電池和液晶屏處理處置設施可供調研,清單數據難以獲取,本研究采用的是生命周期評價軟件中的數據庫數據.與此同時,選用數據庫背景數據的單元過程還包括：可再使用件的替代生產過程、塑料再生、金屬部件再生、電力生產和卡車運輸等.

表2 關鍵過程數據來源及參數取值Table 2 The data sources and values of key processes

在清單數據收集過程中,本研究盡可能獲取多種不同來源的原始數據,并優先采用來自調查和企業的實際生產數據,難以獲得的數據則采用文獻數據或商業數據庫背景數據.對于同一組數據如果有多種來源,則對其進行交叉驗證,力求反映當前廢棄手機回收處理的平均水平,確保研究結果的可靠性.

2 結果與分析

2.1 生命周期能耗與碳足跡

生命周期評價結果顯示,廢棄手機回收處理生命周期能源消耗與碳足跡分別為-1069.86MJ和-60.38kgCO2eq(圖 2,圖 3).能耗與碳足跡的負值代表廢棄手機回收處理系統具有正向的環境效益,主要來自可再使用件和再生材料產出的貢獻.廢棄手機回收、拆解、再生利用以及末端處置,由于存在電力、柴油、輔助材料等的消耗,其生命周期能耗和碳排放均為正值.這 4個階段的能耗值和碳排放量依次分別為 65.19MJ, 331.77MJ,116.20MJ,1.84MJ和 5.51kgCO2eq, 28.16kgCO2eq,6.60kgCO2eq,0.11kgCO2eq.

圖2 廢棄手機回收處理生命周期能耗Fig.2 Life cycle energy use of waste mobile phone treatment

圖3 廢棄手機回收處理碳足跡Fig.3 Carbon footprint of waste mobile phone treatment

廢棄手機拆解部件及元器件的再使用,可在其他產品系統中替代相應新件的制造,因此具有明顯的環境效益.研究結果顯示,100部廢棄手機中可再使用的拆解部件和元器件,可避免的能源消耗和碳排放量分別為 639.79MJ和 42.29kgCO2eq.相應地,其他不可再使用拆解部件中蘊含豐富的可再生材料,也有效降低了廢棄手機回收處理系統的生命周期能耗和碳足跡.具體來看,稀貴金屬(主要為金、銀、鈀)、銅/鋁、鐵、塑料/橡膠等再生材料的能耗值和碳排放量依次分別為-210.37MJ,-439.70MJ,-24.90MJ,-270.10MJ和-19.74kgCO2eq,-27.20kgCO2eq,-2.53kgCO2eq, -9.00kgCO2eq.

2.2 不同生命周期階段貢獻分析

將廢棄手機回收處理系統分為回收、拆解、再生利用和末端處置4個主要階段,同時把可再使用件和再生材料分別作為單獨過程進行生命周期能耗和碳足跡的貢獻分析.結果表明,在能耗和碳排放兩方面,各生命周期階段的貢獻比例情況基本吻合(圖 4).可再使用件和再生材料產出對生命周期能耗的貢獻分別為 59.8%和88.3%;對碳足跡的貢獻分別為 70.0%和 96.8%,均為主要的貢獻來源.至于回收、拆解、再生利用和末端處置4個階段,由于其引起正向的能源消耗和碳排放,故對全生命周期的能耗和碳足跡的貢獻均為負值,分別依次為-6.1%,-31.0%, -10.8%,-0.2%和-9.1%,-46.6%,-10.9%,-0.2%.拆解階段的能耗值和碳排放量較大,對生命周期能耗和碳足跡的逆向貢獻較顯著.拆解階段的能耗和碳排放主要來自電路板元器件脫除工序.為實現電路板元器件與基板的分離,電路板在負壓下通過熱風加熱,使電路板上的焊錫處于熔融狀態,電路板隨后經過震動篩實現電子元器件從基板上分離.這一過程的電力消耗大,造成總能耗和間接碳排放量大.

圖4 不同生命周期階段對能耗與碳足跡的貢獻Fig.4 The contributions of each life cycle stages to energy use and carbon footprint

不論是能耗還是碳足跡,再生材料產出都是貢獻最大的生命周期階段.圖 5進一步分析了不同再生材料產出對再生材料總體能耗和碳足跡的具體貢獻情況.在生命周期能耗方面,不同再生材料貢獻占比從高到低依次是銅/鋁(46.5%)、塑料/橡膠(28.6%)、稀貴金屬(22.3%)、鐵(2.6%);至于碳足跡,再生材料貢獻占比從高到低依次是銅/鋁(46.5%)、稀貴金屬(33.8%)、塑料/橡膠(15.4%)、鐵(4.3%).再生銅和再生鋁兩類有色金屬是所有再生材料中最主要的貢獻因子.

圖5 再生材料產出對能耗與碳足跡的貢獻Fig.5 The contributions of recycled materials to energy use and carbon footprint

2.3 關鍵參數敏感性分析

為深入分析關鍵因素對生命周期能耗和碳足跡分析結果的影響,結合前文范圍確定中的參數設定,分別選取廢棄手機互聯網在線回收占比、互聯網回收平臺日回收量、可再使用件占比開展單因素敏感性分析.

互聯網在線回收模式主要依靠服務器、電腦、交易平臺等軟硬件提供廢棄手機交投信息的整合與處理,這與傳統回收渠道有顯著差異.設定互聯網在線回收占比從0增長至90%(即傳統渠道回收占比相應從100%降至10%),結果顯示能耗值和碳排放量均呈現上升趨勢(圖 6).其中,生命周期能耗從-1134.05MJ增長至-748.94MJ;碳排放量從-65.82kgCO2eq增長至-33.15kgCO2eq,增長率分別為34.0%和49.6%.這表明,現階段互聯網在線回收模式尚處于培育期,消費者的認知和接受程度不足,表現為選擇互聯網平臺交投廢棄手機的用戶較少,而互聯網平臺運行所依賴的軟硬件,其能源消耗是相對固定的(主要取決于服務器和客服電腦的開機運行時間).在這種情況下,由于互聯網回收平臺總體回收量不足,回收效率低,從而導致其相對于傳統回收渠道在能耗和碳排放上均表現較差,這一趨勢隨互聯網在線回收占比的提高而不斷增長.

圖6 互聯網在線回收占比的敏感性分析Fig.6 Variation in energy use and GHG emissions with the proportion of website-based collection

分析互聯網回收平臺日回收量的變化可以探討互聯網在線回收模式環境績效的變化.假定互聯網回收平臺日回收量從 100部增長至 700部,結果顯示,生命周期能耗和碳排放量分別從-1069.87MJ 和 -60.38kgCO2eq 下 降 至-1124.95MJ和-65.05kgCO2eq(圖7).特別是在日回收量從100部增長至400部時,能耗和碳排放量降幅明顯,分別達到 4.5%和 6.8%;而由 400部繼續增長至 700部時,能耗和碳排放量降幅分別僅為 0.6%和 0.9%.可見,互聯網在線回收模式的環境績效受日回收量影響顯著,只有在達到一定的回收量規模后,互聯網在線回收在能耗和碳排放方面才表現出相應的優勢.

拆解部件和元器件的高再使用率是廢棄手機區別于其他常規電子廢棄物的關鍵特征之一.對廢棄手機拆解企業的調研分析表明,約 80%的拆解部件和元器件可在其他電器電子產品制造中被再使用.設定廢棄手機中可再使用件占比從0提高至 80%,生命周期能耗和碳排放量相應分別從-731.71MJ和-49.05kgCO2eq降低到-1069.86MJ和-60.38kgCO2eq(圖8).這表明,確保零部件和電路板元器件在拆解及脫除時的完整性,提高再使用率,可有效提高廢棄手機回收處理系統在節能和碳減排方面的環境績效.

圖7 互聯網回收平臺日回收量的敏感性分析Fig.7 Variation in energy use and GHG emissions with daily collection amount of website-based collection platform

圖8 可再使用件占比的敏感性分析Fig.8 Variation in energy use and GHG emissions with the proportion of reusable components

2.4 與已有研究結果對比

本研究以 100部廢棄手機為對象開展了回收處理系統的生命周期能耗與碳足跡分析.如果換算成單部手機的回收處理過程,能耗與碳足跡分別為-10.69MJ和-0.6kgCO2eq,這與 Frey[24]的研究結果(能耗-7.7MJ,碳排放-0.44kg CO2-eq)相近.本研究與其在能耗值上的差異,原因在于Frey的研究開展較早,其所研究的廢棄手機回收系統效率較低,從而導致較高能耗.

另據蘋果公司的產品環境報告,iPhone 4回收處理階段(不包括再生材料產出與再使用環節)的溫室氣體排放占全生命周期的 1%,為 0.45kgCO2eq[25],與本研究結果0.40kgCO2eq基本吻合.隨著iPhone產品升級和結構的復雜化,iPhone 6和iPhone 6S回收處理階段的碳排放有所增加,分別達到0.95kgCO2eq[26]和0.8kgCO2eq[27].

3 結論

3.1 基于市場調查和企業調研,建立了綜合的廢棄手機模型,并以 100部廢棄手機作為功能單位,評估得到當前廢棄手機回收處理系統的生命周期能耗與碳足跡分別為-1069.86MJ和-60.38kgCO2eq,表明廢棄手機回收處理系統具有較顯著的節能與碳減排效益.

3.2 可再使用件和再生材料的產出是廢棄手機回收處理生命周期能耗和碳足跡最主要的貢獻來源.其中,再生材料產出對能耗和碳足跡的貢獻分別占 88.3%和 96.8%.在不同再生材料中,再生銅與再生鋁兩類有色金屬產出所避免的能耗值與碳排放量最大,超過稀貴金屬的貢獻值.

3.3 關鍵參數敏感性分析表明,提高互聯網在線回收平臺的日回收量及拆解部件與元器件的再使用率,可有效降低廢棄手機回收處理系統的生命周期能耗和碳足跡.在現階段互聯網在線回收模式尚不成熟的情況下,提高互聯網在線回收占比會引起生命周期能耗和碳足跡的升高.作為新興的電子廢棄物回收模式,互聯網在線回收一方面有賴于政策支持;另一方面也可與“以舊換新”、積分兌換等形式結合,引導消費者積極參與,最終通過提高回收量和回收效率來改進整體環境績效.

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Life cycle energy use and carbon footprint of waste mobile phone treatment system

SONG Xiao-long1,2*, LI Bo3, LVBin3, CHEN Qin1,2, BAI Jian-feng1,2(1.E-waste Research Center of Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China；2.Shanghai Collaborative Innovation Center for E-waste Recycling, Shanghai 201209, China；3.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2393～2400

A life cycle assessment is carried out to estimate the energy use and carbon footprint of waste mobile phone treatment system in China. The results showed that the energy use and GHG emissions of waste mobile phone treatment are -1069.86MJ and -60.38kgCO2eq. The recycled material is the main source of life cycle energy use and carbon footprint, with the contribution proportion of 88.3% and 96.8%, respectively. A quantitative analysis is also conducted to assess the influence of website-based collection efficiency and the reuse rate of disassembled components.

e-waste；waste mobile phone；life cycle assessment；carbon footprint

X327,X705

A

1000-6923(2017)06-2393-08

宋小龍(1986-),男,安徽安慶人,副研究員,博士,主要從事產業生態學和環境管理學等領域研究.發表論文20余篇.

2016-10-10

上海市教委科研創新項目(15ZZ102);國家自然科學基金青年科學基金項目(41501598);上海高校知識服務平臺(ZF1224)協同開發基金

* 責任作者, 副研究員, songxiaolong@sspu.edu.cn