循環包裝箱全生命周期碳足跡計算方法研究

任姝珩，張媛，朱磊，劉笑，江東何

循環包裝箱全生命周期碳足跡計算方法研究

任姝珩，張媛，朱磊，劉笑，江東何

（北京印刷學院 機電工程學院，北京 102600）

針對目前循環箱碳足跡的計算缺乏統一標準且相關研究較少，使循環箱的環保價值存疑的問題，本文對循環包裝箱的碳足跡進行研究，旨在建立一種適用于循環包裝的基于生命周期評價（LCA）方法的碳排放計算模型。基于全生命周期評價方法，參考國內A循環包裝企業B2B應用場景，采用eFootprint軟件及數據庫量化分析。由于聚丙烯材料具有可循環利用的特點，在快遞循環包裝中廣泛應用，本文以聚丙烯材料的循環箱為例進行碳足跡的研究。以1 m2的循環快遞包裝箱為功能單位，采用“從搖籃到墳墓”的方法對其生產、運營、回收等過程的物耗、能耗及環境排放進行環境影響量化比較。研究評價分析了各個單元過程中對全球變暖潛值這一環境指標的貢獻值。結果顯示，循環包裝箱碳排放貢獻主要來源于4個方面：循環使用過程運輸排放，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、清洗2個階段的電力，占總排放的11.71%；報廢后垃圾焚燒處理過程排放，占總排放的5.33%。使用近50次的二氧化碳當量為9.854 1 kg/m2。循環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包裝具有較高的環保價值。

快遞循環包裝；生命周期評價；碳足跡；聚丙烯材料

隨著電商行業的蓬勃發展，中國快遞行業的數額激增，2020年我國快遞業務量達到了833.6億件[1]。快遞包裝已經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月的國家發改委等發布的《關于進一步加強塑料污染治理的意見》中提出“以連鎖商超、大型集貿市場、物流倉儲、電商快遞等為重點”“積極推廣可循環、可折疊包裝產品和物流配送器具”。2021年，國務院辦公廳印發了《2030年前碳達峰行動方案》。為順應一系列減排政策，以聚丙烯為主要原料的可循環利用的快遞包裝箱逐步發展[2]。截至目前，關于循環包裝箱碳排放的計算缺乏統一的標準，且相關領域的研究較少，存在著關于循環包裝是否真正環保等種種疑問。要解決這些問題，就需要研究循環包裝物的碳足跡。

研究循環包裝箱的環境影響大小，可以借助生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）方法[3-5]進行量化分析。國內外許多的學者使用生命周期評估方法對包裝物的碳足跡進行研究。

年鶴等[6]研究瓦楞紙箱生產碳足跡的計算方法，計算了３種瓦楞紙箱生產的碳排放量并進行了分析。耿會君等[7]歸納了快遞包裝箱循環利用中產生碳足跡的環節，分析了存在的問題并提出了減碳的對策。王志慧等[8]對紙塑鋁復合包裝的生命周期碳足跡進行研究，得出紙板、鋁箔和塑料的生產碳排放達80%以上的結論。潘生林等[9]研究跨境再生HDPE生產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過程的碳足跡。趙昱等[10]評價了白紙板和聚丙烯2種化妝品包裝盒的環境影響，得出兩者中首選材料是白紙板的結論。鞏桂芬等[11]對比了2款包裝箱，得出鋼邊箱比傳統木箱更具有環境友好性的結論。孫丹妮等[12]研究了牛皮淋膜紙和聚乙烯（PE）2種書籍包裝袋的環境影響并分析了兩者利弊。Robertson等[13]為Zespri評估獼猴桃包裝和運輸供應鏈在日本和德國銷售的生命周期碳足跡，提出減少二次包裝、長途運輸使用火車以及提高包裝回收率的建議，以達到減少排放的目的。

1 背景與假設

1.1 循環箱生產模型

由于聚丙烯材質的特殊性，循環箱體能夠重復利用，廢棄后仍能回收利用。生產過程如下：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混料后吸入料斗中，經電力加熱成熔融狀態后擠出，經冷卻水冷卻定型后由片材機收卷；隨后，片材經成型機壓制、模切機模切定型后進行油墨印刷；最后使用聲波熱熔技術焊接成箱。

1.2 循環箱運營模型

循環箱運營的業務場景主要涉及B2B和B2C這2種模式。由于國內目前針對循環箱的整體運營模式及回收體系尚不成熟，B2C的運營模式目前在企業內實際應用較少。本次研究的循環箱使用過程均在企業B2B運營模式[14]下，流程如圖1所示。

圖1 循環包裝箱B2B循環運營模式

2 建模與數據收集

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，運用軟件中手動建模方式，利用企業實景數據和軟件系統數據庫進行清單數據關聯和生命周期數據追溯。對快遞循環包裝的產品碳足跡而言，遵循從評價模型構建，到模型評估計算，最終針對碳足跡分布和計算結果，提出低碳改進措施。

2.2 目標與范圍定義

研究數據以1 m2聚丙烯板材所生產的快遞循環包裝箱產品為數據單元進行基礎數據清單的收集，所研究的碳足跡范圍是從搖籃到墳墓的[15]。B2B模式中企業使用主要在固定地點，排放很少且數據不易收集，因此本文忽略了消費者（企業）使用部分排放。

循環包裝的系統邊界確定為：由循環包裝原材料、生產、循環使用、回收的一系列單元過程流組成的集合，包括原材料生產和運輸，循環包裝的生產、運輸、回收、盤點、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A某循環箱型作為示例進行箱體數據的測算與收集，其基本信息：箱體尺寸為294 mm×243 mm×240 mm，質量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。循環箱板材利用率約85%，1 m2消耗原材料1.2 kg，損耗部分進行粉碎再生。表1給出了單位面積輸入材料及原料運輸數據。

根據數據庫資料與文獻[11,16-19]，加權平均得到聚丙烯的排放系數為2.99。聚丙烯再生料來源于廢品，滿足cut-off規則。

2.3.2 包裝生產

該循環箱生產過程中所有的工藝步驟使用能源均為電力。A企業工廠2020年在生產循環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水量為0.5 m3/h，循環過程水量損耗率為10%。參照《浙江省重點行業 VOCS 污染排放源排放量計算方法(1.1 版)》，塑料板制造工序VOCs的排放系數為0.539 kg/t，1 m2循環箱所需PP原料用量為1.2 kg，則單位VOCs產生量約為0.65×10?3kg/m2，廢氣VOCs的碳排放計算默認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進行稀釋，參考《廣東省重點行業揮發性有機物（VOCs）計算方法（試行）》計算油墨VOCs含量為0.39×10?3kg。廢氣在生產與印刷部分進行局部排風收集，收集率為40%。采用活性炭吸附方式進行處理，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，由專業單位處理再生。計算過程中忽略了人員因素。

圖2 快遞循環包裝箱的碳足跡研究系統邊界

表1 包裝原材料清單

Tab.1 List of packaging raw materials

1 m2聚丙烯包裝物生產階段的輸入清單見表2。生命周期清單的數據來源于企業數據、文獻[18,21-22]以及CLCD數據庫。

2.3.3 循環使用

這一部分主要包括循環箱循環使用過程中的運輸、清洗2個流程。其中，清洗過程是為了洗去箱子上的標簽，保證循環箱能順利投入下次使用。以A企業為例，根據20批循環箱的循環運營數據（調研主要針對上海及周邊客戶）分別估算其中20個循環包裝箱樣本運輸的里程數（主要包括工廠、客戶以及清洗中心3個地點循環使用的運輸過程），樣本里程數據如圖3所示。平均循環總里程數為34 572.45 km，平均循環次數為49次，平均清洗次數也按49次計算。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。聚丙烯循環箱的材料理論上可通過再生料的方式實現100%循環利用，但由于存在箱體遺失、塑料老化等問題，存在報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，在該流程中每次有75%的廢棄塑料箱進入回收流程，經過處理后作為再生材料再次用于生產。除此以外，因塑料老化等原因報廢的塑料箱假設占比為25%。

此外，生產階段產生廢活性炭交由專業機構處理再生，數據難以獲取，因此根據活性炭再生環評報告估算其處理（熱氮氣脫附[22]等）消耗電力約為2.91×10?4kW·h。

3 計算模型與數據核算

3.1 碳排放計算模型

根據確定的生命周期清單過程，確定各個過程的碳排放計算方式，各個過程計算式如表3所示。循環包裝箱總計碳排放量為各過程碳排放量的累加。

表2 循環包裝箱生產階段數據清單

Tab.2 Data list for production process of circulating packaging

圖3 樣本循環次數及里程數

表3 循環包裝箱碳排放計算模型

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

3.2 計算模型分析

3.2.1 原材料生產排放

原材料生產階段排放可以使用排放因子法進行計算，以其原材料的數量乘以對應碳排放因子得到：

3.2.2 電力排放

根據各區域電網電力排放因子可得，華東地區碳排放因子為0.703 5 kg/(kW·h)。碳排放量的計算方式為電力用量與其對應碳排放因子的乘積，公式見式（11）。

3.2.3 運輸過程排放

循環包裝各個運輸過程的碳排放根據不同運輸車輛類型分別計算，計算式見式（12）。

本文原材料及成品運輸的均使用中型柴油貨車（載質量為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。

垃圾自身燃燒產生的CO2排放量見式（13）。

3.3 LCA結果與分析

采用e–Footprint軟件結合CLCD基礎數據庫進行計算研究。將上述清單分析計算結果特征化，獲得循環包裝箱的全球氣候變化潛值（Global Warming Potential，GWP）這一類環境影響評價結果，其各個單元過程排放數據如表4所示，數據單元為1 m2。

表4 循環包裝箱單元過程碳排放貢獻

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

注：碳排放因子數據來自CLCD數據庫、標準[23]、文獻[24-25]及環評報告。

綜上可知，1 m2循環包裝箱碳排放量為9.854 1kg，單次排放小于五層瓦楞紙箱[6,26]。其主要碳排放貢獻來源于循環運輸與原材料聚丙烯。循環使用過程中，貨車運輸占總排放的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、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 結語

在全生命周期的計算條件下，循環包裝箱循環使用近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，結果遠遠小于同單位使用一次五層瓦楞紙紙箱的排放。說明在本文假設前提下循環包裝的環保效益較高。

對于循環包裝箱的碳足跡，貢獻從大到小依次為運輸、原材料、電力和垃圾處理。針對這幾點對循環包裝箱提出減排建議：原材料為聚丙烯，基于循環的特點很難改進原材料，但對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過程中再生料比例，從而降低聚丙烯新料用量，達到減排的效果；在生產、清洗等過程中控制電力使用，盡量節約用電，從而達到減排的目的；對于運輸過程，使用新能源物流車進行運輸或可減少排放。

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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–市自然基金委聯合資助項目（KZ202210015020）

任姝珩（1998—），女，碩士生，主攻物流包裝循環調度和碳足跡。

朱磊（1982—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為智能循環包裝、生物降解材料。

責任編輯：曾鈺嬋