包裝用免膠型瓦楞紙箱的碳排放比較分析

陳麗嬌，孫萬意，遲曉光，高峰

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100020；2.北京中創(chuàng)綠發(fā)科技有限責(zé)任公司，北京 100089）

在碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，包裝行業(yè)對(duì)于綠色低碳包裝產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)，并且也逐漸成為包裝企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品綠色低碳轉(zhuǎn)型關(guān)注的重點(diǎn)。2021年，中國(guó)快遞總量達(dá)到1 084 億件，其中紙質(zhì)包裝占1/2 以上，瓦楞紙作為一種紙質(zhì)快遞包裝更是發(fā)展迅速[1-2]。據(jù)中國(guó)造紙協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2021 年瓦楞紙板的生產(chǎn)量達(dá)到5 500 萬t 以上，較2020 年增長(zhǎng)14.96%，其中，瓦楞原紙和箱紙板的生產(chǎn)量分別占總生產(chǎn)量的22.18%和23.17%，成為占比最多的兩大類產(chǎn)品[3]。

根據(jù)中國(guó)包裝聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，瓦楞紙箱是中國(guó)紙包裝產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品。2020 年瓦楞紙箱產(chǎn)量達(dá)到3 170.84 萬t，而且仍將隨著物流快遞業(yè)的發(fā)展而增長(zhǎng)。

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）是評(píng)價(jià)碳足跡的基礎(chǔ)方法，在造紙行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。MASTERNAK-JANUS 等[4]利用生命周期評(píng)價(jià)對(duì)原生木漿和廢紙漿2 種造紙系統(tǒng)進(jìn)行了分析，比較了2種紙漿生產(chǎn)對(duì)氣候變化、人類健康、生態(tài)系統(tǒng)和化石燃料消耗的影響。SILVA 等[5]對(duì)生產(chǎn)巴西膠板印刷紙的森林系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)從能源消耗、潛在環(huán)境影響和土地利用3 個(gè)方面進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)，研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)能源消耗占比91%，制漿和漂白階段對(duì)環(huán)境影響較大。DIAS 等[6]采用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)葡萄牙采用藍(lán)桉生產(chǎn)的印刷書寫紙生產(chǎn)過程中的能源消耗以及CO2、SO2和COD 等排放物進(jìn)行清單分析，表明通過提高廢紙回收率可有效降低生命周期各階段的碳排放。葛振香[7]通過擴(kuò)展制漿造紙生產(chǎn)系統(tǒng)邊界，完善了國(guó)內(nèi)外的三廢處理和廢紙運(yùn)輸系統(tǒng)，對(duì)新聞紙生產(chǎn)進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)，結(jié)果表明全球變暖是最主要的環(huán)境問題。陳莎等[8]分析了2010 年和2015 年中國(guó)紙產(chǎn)品的生命周期碳排放，研究邊界從林木種植到廢物處置，結(jié)果顯示，制漿造紙階段碳排放量最高，高達(dá)86.33%。在實(shí)證研究方面，張歡[9]采用生命周期評(píng)價(jià)方法計(jì)算了某麥草造紙企業(yè)的碳足跡及碳匯率，發(fā)現(xiàn)該企業(yè)的麥草造紙生產(chǎn)線不符合低碳造紙要求。通過對(duì)紙產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，紙制品LCA研究的系統(tǒng)邊界一般更關(guān)注制漿、造紙的生產(chǎn)過程，且研究邊界的不一致導(dǎo)致無法對(duì)同類型的產(chǎn)品進(jìn)行碳足跡比較。另外，現(xiàn)有案例對(duì)于紙質(zhì)包裝產(chǎn)品全生命周期碳排放的研究較少。因此，本研究基于廣東某著名包裝企業(yè)的調(diào)研，采用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)普通瓦楞紙箱和免膠型瓦楞紙箱開展碳足跡分析，辨識(shí)瓦楞紙箱產(chǎn)品生命周期階段碳排放貢獻(xiàn)，為包裝行業(yè)低碳產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定提供方法和數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1.1 研究邊界

2 種瓦楞紙箱產(chǎn)品的系統(tǒng)邊界包括原材料生產(chǎn)階段、瓦楞紙箱生產(chǎn)階段、使用和廢物處置階段，如圖1所示。功能單位定義為4 000 個(gè)最大綜合尺寸為794 mm，內(nèi)置物最大質(zhì)量為10 kg 的普通型和免膠型瓦楞紙箱產(chǎn)品。

圖1 瓦楞紙箱產(chǎn)品碳足跡核算邊界

瓦楞紙箱生產(chǎn)階段包括制漿造紙、紙箱生產(chǎn)、廢物處置。具體核算邊界如表1 所示。研究設(shè)置不同原材料、不同產(chǎn)品、不同廢物處置方式等多種情景進(jìn)行分析，如表2 所示。

表1 瓦楞紙箱生產(chǎn)核算邊界

表2 情景設(shè)置

1.2 碳排放計(jì)算方法和數(shù)據(jù)來源

1.2.1 瓦楞紙箱生產(chǎn)的碳排放計(jì)算

制漿造紙所用原料的廢紙回收主要涉及運(yùn)輸，其排放計(jì)入廢物處置階段，原木采運(yùn)數(shù)據(jù)參考周媛等[10]的研究成果，制漿造紙過程所用輔料施膠劑、助留劑等數(shù)據(jù)均來自Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫(kù)。

紙箱生產(chǎn)階段主要能耗為設(shè)備運(yùn)行消耗電力、自產(chǎn)蒸汽造成的煤炭消耗。該階段能源消耗數(shù)據(jù)以及輔料消耗數(shù)據(jù)來自廣東某綠色包裝產(chǎn)品制造企業(yè)；能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于北京工業(yè)大學(xué)工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)；玉米淀粉、硼砂、NaOH、水性油墨、丙烯、石腦油等輔料生產(chǎn)的碳排放數(shù)據(jù)來源于Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫(kù)。免膠型瓦楞紙箱使用過程不再涉及其他物質(zhì)消耗，普通型瓦楞紙箱生產(chǎn)過程中涉及膠帶的消耗，因此需要考慮膠帶生產(chǎn)的環(huán)境影響。本文根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，1 功能單位的普通型瓦楞紙箱在使用過程中需要消耗11 kg 聚丙烯膠帶，膠帶生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自AN 等[11]的研究數(shù)據(jù)。

輔料生產(chǎn)碳當(dāng)量排放計(jì)算公式如下：

式中：C為輔料生產(chǎn)碳足跡結(jié)果的數(shù)值；Ci為第i種輔料對(duì)全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）的參數(shù)；Qi為第i種輔料排放量或消耗量的數(shù)值；CFi為第i種物質(zhì)對(duì)GWP 影響的特征化因子。

1.2.2 廢棄處置情景的碳排放計(jì)算

廢紙回收采用人工對(duì)廢紙進(jìn)行初步集中，然后運(yùn)輸至造紙廠，再通過傳送帶運(yùn)至分揀區(qū)域，分揀后的廢紙被打包儲(chǔ)存，用于廢紙制漿生產(chǎn)，主要為柴油和電力的消耗。由于各廢紙回收廠機(jī)械化程度不同，主要能耗為叉車柴油的消耗（1 L 柴油/t 廢紙）、各類電耗（20 kW·h/t 廢紙）[12]；其次廢紙運(yùn)輸階段采用公路運(yùn)輸造成的柴油消耗，廢紙運(yùn)輸距離為廢紙來源地與紙及紙板主要生產(chǎn)地省會(huì)間的實(shí)際平均距離（280 km），該過程能耗碳排放核算基于IPCC 碳排放系數(shù)法，核算公式如下：

填埋主要釋放CH4與CO2，只考慮廢紙?zhí)盥竦臏厥覛怏w排放，核算公式[13]如下：

式中：W為廢紙?zhí)盥窳康臄?shù)值，單位t；XDOC為廢紙中可分解有機(jī)碳的比例的數(shù)值，單位%；XDOCf為廢紙中可分解有機(jī)碳的比例的數(shù)值，單位%；YMCF為有氧分解的CH4修正因子，單位%；F為填埋氣體中CH4比例的數(shù)值，單位%；16/12 為CH4與C 的分子量比率；44/12 為CO2與C 的分子量比率。

廢舊紙箱隨生活垃圾進(jìn)行焚燒發(fā)電是資源循環(huán)利用的重要措施之一[14]。焚燒設(shè)定為完全燃燒，釋放的氣體主要為CO2。其中普通瓦楞紙箱在焚燒過程中不僅要考慮到廢紙焚燒的碳排放，還需考慮到使用后膠條的焚燒。

免膠型瓦楞紙箱焚燒發(fā)電碳排放核算公式[13]如下：

普通瓦楞紙箱焚燒發(fā)電碳排放核算公式如下：

式中：W紙、W膠分別為以上2 種紙箱焚燒量的數(shù)值，單位kg；ACF為含碳量的數(shù)值，單位%；BFCF為化石碳比例的數(shù)值，單位%；EOF為氧化因子的數(shù)值，單位%；D為焚燒發(fā)電量的數(shù)值，單位kW·h；為中國(guó)火力發(fā)電生產(chǎn)單位電碳排放的數(shù)值，單位kg/（kW·h）。

1.2.3 數(shù)據(jù)清單

基于廣東某綠色包裝產(chǎn)品制造企業(yè)及上游原料供應(yīng)商的調(diào)研，采用上文中的碳排放計(jì)算方法，獲得基準(zhǔn)情景下功能單位產(chǎn)品數(shù)據(jù)輸入輸出清單，如表3 所示。

表3 基準(zhǔn)情景輸入輸出清單

2 結(jié)果分析

2.1 瓦楞紙箱產(chǎn)品碳足跡分析

廢紙漿免膠型紙箱（基準(zhǔn)情景）、原木漿免膠型紙箱（情景1）、廢紙漿普通型紙箱（情景2）的廢棄處置情景相同，功能單位下3 種產(chǎn)品生命周期各階段碳排放結(jié)果和溫室氣體構(gòu)成情況如圖2 和圖3 所示。

圖2 紙箱產(chǎn)品生產(chǎn)各階段碳排放

圖3 溫室氣體構(gòu)成

相同廢棄物處置情景下，廢紙漿免膠型紙箱的碳排放為1 305.43 kgCO2eq，廢物處置階段碳排放最高為1 068.88 kgCO2eq，占該情景碳排放的81.88%，其次為制漿造紙階段，碳排放為200.87 kgCO2eq，占比15.39%，紙箱生產(chǎn)階段碳排放最低，占比2.73%；原木漿免膠型紙箱的碳排放為1 343.15 kgCO2eq，廢物處置階段碳排放最高為1 068.88 kgCO2eq，占該情景碳排放的79.58%，其次為制漿造紙階段，碳排放為238.60 kgCO2eq，占比14.76%，紙箱生產(chǎn)階段碳排放最低，占比2.66%；廢紙漿普通型紙箱的碳排放為1 382.38 kgCO2eq，廢物處置階段碳排放最高為1 097.27 kgCO2eq，占該情景碳排放的79.38%，其次為制漿造紙階段，碳排放為200.87 kgCO2eq，占比14.53%，紙箱生產(chǎn)階段碳排放最低，占比6.09%。3 種情景碳排放最高的階段均為廢物處置階段，其中碳排放最高的為填埋處置階段，碳排放為765.60 kgCO2eq；回收處置的碳排放為38.23 kgCO2eq；3 個(gè)情景焚燒產(chǎn)生的碳排放不同，主要原因是普通型紙箱焚燒處置時(shí)，考慮了膠帶燃燒的碳排放，基準(zhǔn)情景和情景1 焚燒的碳排放為265.05 kgCO2eq，情景2 焚燒碳排放為293.44 kgCO2eq。

3 種情景碳排放由大到小為：廢紙漿普通型紙箱（情景2）＞原木漿免膠型紙箱（情景1）＞廢紙漿免膠型紙箱（基準(zhǔn)情景）。由于普通型產(chǎn)品在使用過程中需要搭配聚丙烯膠帶使用，膠帶生產(chǎn)和廢棄產(chǎn)生碳排放76.95 kgCO2eq，導(dǎo)致了普通型瓦楞紙箱碳足跡的升高；原木漿在制漿過程中消耗了更多的煤、油和天然氣，分別產(chǎn)生碳排放0.50 kgCO2eq、26.84 kgCO2eq、5.71 kgCO2eq，原木漿產(chǎn)品的制漿過程能耗導(dǎo)致其碳排放高于廢紙漿產(chǎn)品。

3 種情景的CO2排放分別為711.90 kg、749.50 kg、784.35 kg，分別占各自情景碳排放的54.53%、55.80%、56.74%；CH4的排放分別為21.14 kg、21.14 kg、21.30 kg，分別占各自情景碳排放的45.35%、44.08%、43.15%；N2O 排放較少，分別占各自情景碳排放的0.11%、0.12%、0.11%。

3 種情景最主要的溫室氣體排放為CO2排放，其中CO2排放最大的均為廢棄物處置階段中的焚燒處置。其次為CH4排放，主要由填埋產(chǎn)生，CH4排放量雖然不大，但其環(huán)境影響為CO2的28 倍，導(dǎo)致了其碳排放貢獻(xiàn)占比的升高。

2.2 廢棄物處置階段碳排放分析

相同功能單位廢紙漿免膠型瓦楞紙箱產(chǎn)品在不同廢物處置方式下的碳排放結(jié)果如圖4 所示，主要溫室氣體構(gòu)成如圖5 所示。

圖4 廢物處置階段碳排放

碳排放最高的為基準(zhǔn)情景，碳排放為1 068.88 kgCO2eq，其中回收、焚燒、填埋時(shí)碳排放分別為38.23 kgCO2eq、265.05 kgCO2eq、765.60 kgCO2eq。其次為情景4，碳排放為749.41 kgCO2eq，回收、焚燒、填埋時(shí)碳排放分別為53.22 kgCO2eq、159.03 kgCO2eq、446.60 kgCO2eq。情景3 的碳排放最低，為658.85 kgCO2eq，回收、焚燒、填埋時(shí)碳排放分別為38.23 kgCO2eq、424.08 kgCO2eq、287.10 kgCO2eq。

基準(zhǔn)情境下主要的碳排放源為填埋，其次為焚燒。情景3 在提升回收率后，與基準(zhǔn)情景相比碳排放下降38%。由于回收比例提高，焚燒和填埋產(chǎn)生的碳排放隨處置率下降而減少，但是填埋依舊為主要的碳排放源，占比68%。情景4 與基準(zhǔn)情景的回收率相同，提高了焚燒比例，其碳排放較基準(zhǔn)情景降低30%，該情景焚燒碳排放最高占比57%，其次為填埋，占比38%。

3 種情景的CO2排放分別為477.08 kg、313.28 kg、527.21 kg，分別占各自情景碳排放的44.63%、47.55%、70.35%；CH4的排放分別為21.12 kg、12.32 kg、7.92 kg，分別占各自情景碳排放的55.33%、52.37%、29.60%；N2O 排放較少，分別占各自情景碳排放的0.04%、0.08%、0.05%。

3 種情景CO2的主要排放源均為焚燒，基準(zhǔn)情景、情景3、情景4 的CO2排放分別為265.05 kg、159.03 kg、424.08 kg，其次為填埋產(chǎn)生的CO 2 排放，依次為174.24 kg、101.64 kg、65.34 kg；CH4產(chǎn)生的環(huán)境影響在各個(gè)情景中也占很大比例，CH4排放主要為填埋階段。

3 結(jié)論

研究在對(duì)典型紙箱包裝企業(yè)調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用生命周期評(píng)價(jià)方法分析了免膠型瓦楞紙箱的碳排放，得到以下結(jié)果。

相同廢棄物處置情景下，1功能單位的廢紙漿免膠型瓦楞紙箱產(chǎn)品的碳排放最小為1 305.43 kgCO2eq，原木漿免膠型瓦楞紙箱碳排放為1 343.15 kgCO2eq，廢紙漿普通型瓦楞紙箱的碳足跡最高，為1 382.38 kgCO2eq。免膠型瓦楞紙箱相比于普通型瓦楞紙箱減少了膠帶生產(chǎn)和廢棄處置焚燒階段的碳排放76.95 kgCO2eq。

按照廢紙箱51%回收、25%焚燒、24%填埋的基準(zhǔn)處置情景，包裝用紙箱產(chǎn)品生命周期碳排放主要來自廢物處置階段，其中主要貢獻(xiàn)來自焚燒階段的CO2排放，其次是填埋階段的CH4排放。提高廢紙箱的回收利用率是降低免膠型紙箱產(chǎn)品生命周期碳排放的有效途徑，廢紙箱回收率提高1.0%約可降低1.9%的碳排放，廢紙箱隨生活垃圾焚燒用于發(fā)電的比例提高1.0%約可降低1.5%的碳排放。