基于生命周期評價的瓦楞原紙產品碳足跡評價

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.河南省基本建設科學實驗研究院有限公司，河南鄭州，450016）

隨著國家環保政策的日益嚴格，造紙工業面臨著節能減排的巨大壓力，踐行綠色發展理念、推行清潔生產、節能減排是造紙工業可持續發展的重要途徑[1-2]。

采用生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）方法對紙產品從原材料選擇、產品生產、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溫室氣體排放現狀，識別減排機會[3]。目前已有部分發達國家開展造紙行業生命周期研究，如美國林紙協會（AF&PA）[4]、歐洲造紙工業聯合會（CEPI）[5]、加拿大空氣和河流改進委員會（NCASI）[6]和芬蘭國家技術研究中心（VTT）[7]等。我國生命周期研究還較少，造紙行業生命周期研究的標準體系尚未建立，技術基礎較為薄弱，目前只有科技部“十一五”科技支撐計劃“造紙行業典型產品LCA分析與III型環境標志認證技術”項目、“十二五”科技支撐計劃“碳排放和碳減排認證認可關鍵技術研究與示范”項目和“電子信息、造紙和印刷行業典型產品碳足跡評價關鍵技術研究與示范”項目等開展造紙行業產品生命周期研究[8]。

依據英國協會標準公眾可獲取的規范PAS2050:2011，對河南省以廢紙為原料生產瓦楞原紙的某造紙企業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，為瓦楞原紙生產過程的節能減排機會識別提供科學依據。

1 瓦楞原紙碳足跡評價

1.1 系統邊界確定

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

本研究瓦楞原紙的系統邊界如圖1所示[11]。

圖1 瓦楞原紙系統邊界Fig.1 System boundary of corrugated medium

1.2 功能單位

本課題參考國內外紙產品生命周期研究相關的案例，在滿足可測量、與產品系統的輸入輸出數據直接相關的要求下，最終選擇1000 kg瓦楞原紙為功能單位[12]。

1.3 簡化評價

根據1.1中所確定的系統邊界，考慮數據獲取的實際約束條件，做出以下幾點簡化說明。

（1）對生產過程中化學品種類的選擇，根據功能單位產品生產中用量大于1%/t紙或化學品生產過程所產生的環境影響超過瓦楞原紙產品系統總影響1%為取舍原則，且非實質性排放源（碳排放量小于該產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]。企業采用廢紙碎解制漿生產瓦楞原紙，不經過漂白、脫墨等工序，制漿生產過程中不添加任何化學品；抄紙過程中使用的化學品有木薯淀粉（工業級，YY-278C，杭州紙友科技有限公司）、環壓增強劑（工業級，北京化工廠）及過硫酸銨（分析純，杭州高晶精細化工有限公司）；廢水處理中使用聚合硫酸鐵（工業級，湖南誼德化工有限公司）作為絮凝劑；各化學品用量如表1所表示。

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

木薯淀粉在瓦楞原紙生產過程中用量大于1%/t紙的化學品，環壓增強劑和過硫酸銨在瓦楞原紙生產過程中用量小于1%/t紙，但屬成分較復雜的化學品，本研究均計入統計分析。聚合硫酸鐵在輔助生產系統中用量遠小于1%/t紙，本研究不計入統計分析。

（2）對生產設備、建筑設施、生產用水、包裝材料相關的生產、維護過程不予考慮。

（3）化學品及其他輔助材料的運輸過程不予考慮，原料產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據分配的干擾，在無法避免的情況下，采用物理關系進行分配，使分配程序在實際操作中簡便、可行。

1.4.1 數據收集

根據既定系統邊界，將瓦楞原紙生產過程分為廢紙制漿、抄紙過程、化學品生產、能源生產、原料產品運輸、廢水處理6個過程單元，并對過程單元中資源消耗、能源消耗及環境排放進行原始數據收集。收集過程按照以下2個步驟進行。

（1）初級活動水平數據。通過企業調研、上游廠家提供、采樣監測等途徑進行收集，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，液態廢礦物質油等危險廢物，原料產品運輸距離等數據。所收集數據為企業2019年全年平均統計數據，并能反映企業的實際生產水平。

（2）次級活動水平數據。無法從實際調研過程中獲得的數據，如相關化學品生產、原料產品運輸過程中環境排放等數據，采用中國生命周期基礎數據庫CLCD-China、歐盟生命周期數據庫ELCD 3.0、Ecoin?vent，中心商用數據庫Ecoinvent 2.2 Public或相關科技文獻數據進行替代[14]。

1.4.2 清單分析

利用LCA專業軟件億科生命周期環境評價與管理系統軟件V1.0（簡稱eFootprint系統）進行數據的分析處理，建立瓦楞原紙生命周期評價科學完整的計算程序。

利用eFootprint系統建立各個過程單元模塊，輸入各過程單元的數據參數，通過連接各過程單元的關系變量等操作進行清單分析。另外數據分析過程還涉及分配程序處理，首先能源生產過程中能源消耗及環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荷分配至不同過程單元。

（1）能源生產過程中能源消耗、環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過程中污染物j排放的分擔量（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為瓦楞原紙生產系統中能源消耗總量；Cj為能源生產中第j種污染物排放量。

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

式中，Fi為第i過程單元的廢水污染物負荷，F總為企業廢水污染物總負荷；Qi為第i過程單元的廢水量，Q總為企業生產廢水總量；Ci為第i過程單元的廢水污染物濃度，C總為企業生產廢水污染物濃度。

由于能源生產數據采用eFootprint系統自帶數據庫或科技文獻數據代替，且環境排放已分配至不同過程單元中，電廠本身所需能源的環境影響折算至產品系統中可忽略不計。本課題按廢紙制漿、抄紙過程、化學品生產、原料產品運輸、廢水處理5個過程進行數據分析處理。最終得到由廢紙生產的1000 kg瓦楞原紙為功能單位的清單結果，即生產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、固體廢棄物的環境排放情況，結果如表2所示。

表2 廢紙生產瓦楞原紙生命周期清單結果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境類別識別和類別指標的選擇、分類、特征化、歸一化、加權等過程，其中歸一化、加權是可選步驟，歸一化和加權過程操作含有較大主觀因素會對評價結果產生較大影響。故在評價過程中只考慮特征化這一階段。結合瓦楞原紙產品生命周期清單結果，對生產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）環境問題進行研究。經eFootprint系統計算后，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1000 kg瓦楞原紙生產系統進行評價，可知生產系統溫室氣體排放量為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%。主要因為生產過程單元中消耗大量煤、電力等能源載體，承擔了能源生產中的環境排放[15]。通過提高生產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，主要因為系統邊界內溫室氣體排放主要來自生產過程，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]。可通過改進工藝水平，通過余熱回收利用技術對蒸煮、干燥等環節產生的余熱進行回收利用[20]，或利用生物質能源代替化石能源等措施降低生產過程溫室氣體排放量[21]。

（3）從圖3可知，化學品生產以及原料產品運輸為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 結論

（1）生產1000 kg瓦楞原紙產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品使用造成的CO2排放。建議改善以煤為主的能源結構，降低化石燃料使用比例，減少CO2等溫室氣體的排放。大力提高企業生產工藝水平，尋找替代原料產品，減少化學藥劑的使用。

（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據或統一模式，研究中未能充分考慮這些過程的環境影響，造成了評價結果的不完整；②由于缺乏廢紙收集、過硫酸銨等原材料和輔料的生產，廢物管理的物耗、能耗，環境排放以及環境影響評價指標數據，故只能引用數據庫數據進行分析，使得評價結果不夠精確。