基于生命周期评价的瓦楞原纸产品碳足迹评价

赵国杰 游亚杰 黄起帅

（1.河南省固体废弃物分类处理与高值化利用工程研究中心，河南郑州，450016；2.河南省基本建设科学实验研究院有限公司，河南郑州，450016）

随着国家环保政策的日益严格，造纸工业面临着节能减排的巨大压力，践行绿色发展理念、推行清洁生产、节能减排是造纸工业可持续发展的重要途径[1-2]。

采用生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）方法对纸产品从原材料选择、产品生产、运输、使用、回收至废弃的全过程进行碳足迹分析，有助于掌握造纸行业温室气体排放现状，识别减排机会[3]。目前已有部分发达国家开展造纸行业生命周期研究，如美国林纸协会（AF&PA）[4]、欧洲造纸工业联合会（CEPI）[5]、加拿大空气和河流改进委员会（NCASI）[6]和芬兰国家技术研究中心（VTT）[7]等。我国生命周期研究还较少，造纸行业生命周期研究的标准体系尚未建立，技术基础较为薄弱，目前只有科技部“十一五”科技支撑计划“造纸行业典型产品LCA分析与III型环境标志认证技术”项目、“十二五”科技支撑计划“碳排放和碳减排认证认可关键技术研究与示范”项目和“电子信息、造纸和印刷行业典型产品碳足迹评价关键技术研究与示范”项目等开展造纸行业产品生命周期研究[8]。

依据英国协会标准公众可获取的规范PAS2050:2011，对河南省以废纸为原料生产瓦楞原纸的某造纸企业采用生命周期的方法进行碳足迹评价，分析各过程单元温室气体（Greenhouse Gas，GHG）排放情况，为瓦楞原纸生产过程的节能减排机会识别提供科学依据。

1 瓦楞原纸碳足迹评价

1.1 系统边界确定

本研究采用“从商业-到-商业（B2B）”的研究方法来划分系统边界，确定从国内废纸运输到瓦楞原纸产品运送至一级经销商，除纸浆生产和瓦楞原纸生产2个主要过程单元外，还包括化学品生产、能源生产、原料产品运输及废水处理，不包括其他生产过程、最终产品分销、零售、消费者使用以及过程单元产生固体废弃物处置/再生利用[9]。由于我国没有形成健全的废纸回收体系，获取废纸回收数据存在困难，故废纸产生与回收不在研究范围内[10]。

本研究瓦楞原纸的系统边界如图1所示[11]。

图1 瓦楞原纸系统边界Fig.1 System boundary of corrugated medium

1.2 功能单位

本课题参考国内外纸产品生命周期研究相关的案例，在满足可测量、与产品系统的输入输出数据直接相关的要求下，最终选择1000 kg瓦楞原纸为功能单位[12]。

1.3 简化评价

根据1.1中所确定的系统边界，考虑数据获取的实际约束条件，做出以下几点简化说明。

（1）对生产过程中化学品种类的选择，根据功能单位产品生产中用量大于1%/t纸或化学品生产过程所产生的环境影响超过瓦楞原纸产品系统总影响1%为取舍原则，且非实质性排放源（碳排放量小于该产品生命周期总碳排放量1%的排放源）的比例不超过总排放的5%[13]。企业采用废纸碎解制浆生产瓦楞原纸，不经过漂白、脱墨等工序，制浆生产过程中不添加任何化学品；抄纸过程中使用的化学品有木薯淀粉（工业级，YY-278C，杭州纸友科技有限公司）、环压增强剂（工业级，北京化工厂）及过硫酸铵（分析纯，杭州高晶精细化工有限公司）；废水处理中使用聚合硫酸铁（工业级，湖南谊德化工有限公司）作为絮凝剂；各化学品用量如表1所表示。

表1 1000 kg瓦楞原纸生产中主要化学品用量Table 1 Main chemicals consumption in the production 1000 kg corrugated medium

木薯淀粉在瓦楞原纸生产过程中用量大于1%/t纸的化学品，环压增强剂和过硫酸铵在瓦楞原纸生产过程中用量小于1%/t纸，但属成分较复杂的化学品，本研究均计入统计分析。聚合硫酸铁在辅助生产系统中用量远小于1%/t纸，本研究不计入统计分析。

（2）对生产设备、建筑设施、生产用水、包装材料相关的生产、维护过程不予考虑。

（3）化学品及其他辅助材料的运输过程不予考虑，原料产品运输假定空载率为50%。

1.4 生命清单分析

研究中尽量避免人为因素对数据分配的干扰，在无法避免的情况下，采用物理关系进行分配，使分配程序在实际操作中简便、可行。

1.4.1 数据收集

根据既定系统边界，将瓦楞原纸生产过程分为废纸制浆、抄纸过程、化学品生产、能源生产、原料产品运输、废水处理6个过程单元，并对过程单元中资源消耗、能源消耗及环境排放进行原始数据收集。收集过程按照以下2个步骤进行。

（1）初级活动水平数据。通过企业调研、上游厂家提供、采样监测等途径进行收集，如资源能源消耗包括煤、废纸、水、电力等，气体排放包括CO2、NOx、SO2、CO、PM10、非甲烷挥发性有机物（Nonmethane Volatile Organic Compound，NMVOC）等，水体排放包括总悬浮颗粒物（Total Suspended Particu⁃late，TSP）、化学需氧量（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-、总悬浮固体（Total Suspended Solids，TSS）等，以及纤维、污泥等固体废弃物，液态废矿物质油等危险废物，原料产品运输距离等数据。所收集数据为企业2019年全年平均统计数据，并能反映企业的实际生产水平。

（2）次级活动水平数据。无法从实际调研过程中获得的数据，如相关化学品生产、原料产品运输过程中环境排放等数据，采用中国生命周期基础数据库CLCD-China、欧盟生命周期数据库ELCD 3.0、Ecoin⁃vent，中心商用数据库Ecoinvent 2.2 Public或相关科技文献数据进行替代[14]。

1.4.2 清单分析

利用LCA专业软件亿科生命周期环境评价与管理系统软件V1.0（简称eFootprint系统）进行数据的分析处理，建立瓦楞原纸生命周期评价科学完整的计算程序。

利用eFootprint系统建立各个过程单元模块，输入各过程单元的数据参数，通过连接各过程单元的关系变量等操作进行清单分析。另外数据分析过程还涉及分配程序处理，首先能源生产过程中能源消耗及环境排放需分配至不同过程单元；其次废水处理过程中废水污染负荷分配至不同过程单元。

（1）能源生产过程中能源消耗、环境排放分配至不同过程单元，具体分配方式见式（1）。

式中，Qij为第i过程单元对能源生产过程中污染物j排放的分担量（i为过程单元，j为污染物种类）；Ei为第i过程单元的能源消耗量；E为瓦楞原纸生产系统中能源消耗总量；Cj为能源生产中第j种污染物排放量。

（2）生产废水处理过程中对不同来源废水的污染负荷根据废水量及污染物浓度进行分配见式（2）。

式中，Fi为第i过程单元的废水污染物负荷，F总为企业废水污染物总负荷；Qi为第i过程单元的废水量，Q总为企业生产废水总量；Ci为第i过程单元的废水污染物浓度，C总为企业生产废水污染物浓度。

由于能源生产数据采用eFootprint系统自带数据库或科技文献数据代替，且环境排放已分配至不同过程单元中，电厂本身所需能源的环境影响折算至产品系统中可忽略不计。本课题按废纸制浆、抄纸过程、化学品生产、原料产品运输、废水处理5个过程进行数据分析处理。最终得到由废纸生产的1000 kg瓦楞原纸为功能单位的清单结果，即生产1000 kg瓦楞原纸在各过程单元中资源消耗、能源消耗和气体、水体、固体废弃物的环境排放情况，结果如表2所示。

表2 废纸生产瓦楞原纸生命周期清单结果Table 2 Results of life cycle list of corrugating medium produced by waste paper

1.5 生命周期影响评价

生命周期影响评价过程包含环境类别识别和类别指标的选择、分类、特征化、归一化、加权等过程，其中归一化、加权是可选步骤，归一化和加权过程操作含有较大主观因素会对评价结果产生较大影响。故在评价过程中只考虑特征化这一阶段。结合瓦楞原纸产品生命周期清单结果，对生产1000 kg瓦楞原纸在各过程单元中所引起的全球气候变暖（Global Cli⁃mate Change,GWP）环境问题进行研究。经eFootprint系统计算后，各过程单元贡献量如图2所示，各过程单元对气体污染物贡献率如图3所示。

图2 生产过程单元对全球温室气体的贡献量Fig.2 Contribution of production process unit to GWP

2 生命周期解释

（1）按照B2B方法对废纸生产1000 kg瓦楞原纸生产系统进行评价，可知生产系统温室气体排放量为1226.79 kg CO2e。其中，废纸制浆、抄纸过程是造纸行业造成全球气候变暖的主要单元，分别占总贡献度的32.6%和54.1%。主要因为生产过程单元中消耗大量煤、电力等能源载体，承担了能源生产中的环境排放[15]。通过提高生产过程中可再生能源利用比例，可有效降低温室气体排放量[16-17]。

（2）从图2及图3可知，在全球气候变暖贡献中，CO2贡献量最大，主要因为系统边界内温室气体排放主要来自生产过程，此过程单元中煤燃烧直接排放物和电力消耗间接排放物主要为CO2[18-19]。可通过改进工艺水平，通过余热回收利用技术对蒸煮、干燥等环节产生的余热进行回收利用[20]，或利用生物质能源代替化石能源等措施降低生产过程温室气体排放量[21]。

（3）从图3可知，化学品生产以及原料产品运输为CH4的重要来源，而废水处理过程对各类气体污染物影响都较小。

图3 生产过程单元对温室气体排放贡献率Fig.3 Contribution proportion of the GHGemissions in different unit processes

3 结论

（1）生产1000 kg瓦楞原纸产品对全球气候变暖的影响主要来自废纸制浆、抄纸过程单元能源消耗和化学品使用造成的CO2排放。建议改善以煤为主的能源结构，降低化石燃料使用比例，减少CO2等温室气体的排放。大力提高企业生产工艺水平，寻找替代原料产品，减少化学药剂的使用。

（2）本研究在建模和评价过程中，存在缺陷和不足：①瓦楞原纸生命周期研究过程不完整，由于某些过程缺少数据或统一模式，研究中未能充分考虑这些过程的环境影响，造成了评价结果的不完整；②由于缺乏废纸收集、过硫酸铵等原材料和辅料的生产，废物管理的物耗、能耗，环境排放以及环境影响评价指标数据，故只能引用数据库数据进行分析，使得评价结果不够精确。