張清文 陳 曦
(中國制漿造紙研究院,北京,100102)
人類的活動(dòng)以及對自然資源如化石燃燒的利用排放了大量的溫室氣體 (GHG),由此引發(fā)的溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖。氣候變化已被確定為未來幾十年各個(gè)國家、政府、商業(yè)界和居民所面臨的最大挑戰(zhàn)之一[1]。當(dāng)前我國造紙企業(yè)是高能耗企業(yè),而且大多數(shù)企業(yè)消耗的能量是由化石燃料燃燒獲得的,我國造紙工業(yè)的能耗水平與國際先進(jìn)水平相比仍有相當(dāng)?shù)牟罹?。造紙工業(yè)面臨著節(jié)能減排的巨大壓力,發(fā)展低碳造紙、推行清潔生產(chǎn)是造紙工業(yè)發(fā)展的必由之路。
在造紙行業(yè)開展碳足跡評價(jià),有助于準(zhǔn)確掌握造紙行業(yè)溫室氣體排放水平,識(shí)別減排的機(jī)會(huì)。碳足跡評價(jià)既可用于行業(yè)碳足跡評價(jià),也可用于制漿造紙企業(yè)或者產(chǎn)品碳足跡評價(jià)。在發(fā)達(dá)國家已廣泛開展碳足跡評價(jià)研究,一些國家的行業(yè)協(xié)會(huì)、制漿造紙企業(yè)定期公布碳足跡數(shù)據(jù)。美國林紙協(xié)會(huì) (AF&PA)[2]公布2008年其成員生產(chǎn)工廠直接和間接溫室氣體排放為6450萬t,比2000年下降了26.7%,廢紙回收利用及減少填埋產(chǎn)生的避免排放為2100萬~2400萬t,填埋氣的回收利用產(chǎn)生的避免排放為2020萬t。加拿大空氣和河流改進(jìn)委員會(huì) (Ncasi-Canada)[3]公布加拿大林產(chǎn)業(yè)在2005年制漿造紙工廠燃料消耗GHG直接排放為810萬t,購買電力間接排放為940萬t,紙和紙板后加工燃料消耗GHG直接排放為500萬t,購買電力間接排放為500萬t。2007年9月,歐洲造紙工業(yè)聯(lián)合會(huì) (CEPI)[4]發(fā)布了 ENV-148-07紙和紙板產(chǎn)品碳足跡評價(jià)框架,用于指導(dǎo)造紙行業(yè)開展產(chǎn)品碳足跡評價(jià)。許多企業(yè)為展示在環(huán)境責(zé)任或企業(yè)責(zé)任方面的領(lǐng)導(dǎo)作用,依據(jù)該文件進(jìn)行了產(chǎn)品碳足跡評價(jià)并公布評價(jià)數(shù)據(jù)。芬蘭VTT技術(shù)研究中心[5]按照生命周期評價(jià) (LCA)方法,評價(jià)商品針葉木漿GHG排放為271 kgCO2e,碳存儲(chǔ)為-3309 kgCO2e。芬蘭制漿企業(yè) Botnia公司[6]按照 CEPI ENV-148-07評價(jià)GHG排放為131 kgCO2e/t(風(fēng)干),產(chǎn)品碳存儲(chǔ)為-1650 kgCO2e/t(風(fēng)干)。UPM 公司[7]報(bào)告 2011 年其漂白針葉木漿GHG排放為240 kgCO2e/t(風(fēng)干),產(chǎn)品碳存儲(chǔ)為-3200 kgCO2e/t(風(fēng)干)。還有一些機(jī)構(gòu)對不同原料生產(chǎn)的產(chǎn)品或不同國家生產(chǎn)的同一品種產(chǎn)品進(jìn)行碳足跡比較,Norske Skog公司[8]對原生漿與回用纖維漿碳足跡進(jìn)行了比較,原生漿GHG排放為1260 kgCO2e/t(風(fēng)干),回用纖維漿GHG排放為746 kgCO2e/t(風(fēng)干)。芬蘭 KCL Catharina Hohenthal&Katri Behm[9]對100%原生漿和100%回用漿生產(chǎn)廁用衛(wèi)生紙的碳足跡進(jìn)行了比較,兩者GHG排放相差不大,分別為1214 kgCO2e/t(風(fēng)干)和1257 kgCO2e/t。加尼福尼亞大學(xué)Robert O Vos等人[10]對中國和美國生產(chǎn)的涂布紙進(jìn)行了碳足跡比較,結(jié)果表明中國產(chǎn)涂布紙溫室氣體排放為2478 kgCO2e/t,美國產(chǎn)涂布紙溫室氣體排放為1432 kgCO2e/t。
我國碳足跡評價(jià)尚在起步階段,有關(guān)碳足跡評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立,技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱。針對碳足跡評價(jià),國家科技部“十二五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“碳排放和碳減排認(rèn)證認(rèn)可關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目開展了對產(chǎn)品/服務(wù)碳足跡評價(jià)方法與技術(shù)展開系統(tǒng)研究,取得了一系列的研究成果,并形成了符合中國國情的產(chǎn)品/服務(wù)碳足跡評價(jià)方法與技術(shù)。目前造紙行業(yè)開展碳足跡評價(jià)研究工作較少。馬倩倩等人[11]對造紙產(chǎn)品碳足跡評價(jià)進(jìn)行了初步探討。陳誠等人[12]對我國制漿造紙業(yè)能源消耗與碳排放進(jìn)行了估算,2011年制漿造紙業(yè)總碳排放為149.74 Mt CO2e,噸紙CO2排放量為1543 kg CO2e。國內(nèi)開展造紙產(chǎn)品碳足跡評價(jià)較少,也鮮見產(chǎn)品碳足跡評價(jià)結(jié)果公布。2008年6月,APP(中國)[13]委托Camco環(huán)境咨詢公司對其公司主要活動(dòng)進(jìn)行了溫室氣體評估,但未公布其產(chǎn)品碳足跡數(shù)據(jù)。
本文依據(jù)PAS 2050商品和服務(wù)全生命周期的溫室氣體排放評價(jià)規(guī)范及CEPI紙和紙板碳足跡評價(jià)框架文件,對以100%OCC為原料生產(chǎn)的箱紙板進(jìn)行了產(chǎn)品碳足跡評價(jià),分析了生產(chǎn)各個(gè)過程GHG排放,評估結(jié)果對我國造紙行業(yè)碳排放核算及碳減排具有借鑒作用。
箱紙板生命周期從廢紙的收集開始,經(jīng)過廢紙制漿、箱紙板的抄造、復(fù)卷、包裝入庫,直至送到用戶或經(jīng)銷商,同時(shí)還包含能源生產(chǎn)、化學(xué)品生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)葐卧^程。由于箱紙板產(chǎn)品是下游企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的原料,形成產(chǎn)品后已改變了箱紙板的屬性,產(chǎn)品的使用和使用后廢棄物的處理不在本研究的系統(tǒng)邊界內(nèi),即為“搖籃-到-大門”的方法。其中燃料開采、交通工具、基礎(chǔ)設(shè)施的生產(chǎn)不在本研究范圍內(nèi)。
箱紙板產(chǎn)品系統(tǒng)邊界包括以下過程:
(1)廢紙的收集主要是指廢紙?jiān)诜謷痉謷?、打包?/p>
(2)廢紙制漿主要為廢紙碎解、篩選、洗滌、熱分散、纖維分級、打漿以及廢水處理等過程。
(3)箱紙板生產(chǎn)即為抄紙過程,主要包括配漿、成形、壓榨、干燥、卷取等過程。
(4)復(fù)卷及包裝過程為箱紙板產(chǎn)品的復(fù)卷、分切、包裝。
(5)運(yùn)輸主要包括廢紙的運(yùn)輸、化學(xué)品的運(yùn)輸、箱紙板產(chǎn)品運(yùn)輸至經(jīng)銷商或用戶及廢棄物的運(yùn)輸。
(6)化學(xué)品生產(chǎn)為制漿、抄紙過程中使用的輔助化學(xué)品的生產(chǎn)過程。
(7)包裝材料生產(chǎn)是生產(chǎn)產(chǎn)品包裝材料的過程。
(8)能源生產(chǎn)為制漿、抄紙等過程中使用的電力、蒸汽等能源的生產(chǎn)過程。
(9)廢水處理為制漿、抄紙廢水的處理。
本研究選擇1000 kg箱紙板產(chǎn)品作為功能單位。
1.3.1 初級活動(dòng)水平數(shù)據(jù)
在確定的系統(tǒng)邊界內(nèi),箱紙板產(chǎn)品生命周期包括3個(gè)階段:原料獲取階段,包括廢紙、化學(xué)品、包裝材料、能源、資源等的獲取及運(yùn)輸;生產(chǎn)階段,包括廢紙制漿、抄紙、廢水處理等過程;配送銷售階段,產(chǎn)品配送到一級經(jīng)銷商或用戶的運(yùn)輸過程。在進(jìn)行碳足跡評價(jià)時(shí)需要對這些過程的輸入、輸出的初級活動(dòng)水平數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)。本研究采集了箱紙板工廠一年的活動(dòng)數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析、篩選,計(jì)算得到生產(chǎn)每噸箱紙板的輸入、輸出數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)略。
1.3.2 次級水平數(shù)據(jù)
在數(shù)據(jù)計(jì)算過程中,由于某些原因,如某個(gè)過程不在組織控制、數(shù)據(jù)調(diào)研成本過高等原因?qū)е鲁跫壔顒?dòng)水平數(shù)據(jù)無法獲取。對于無法獲取初級活動(dòng)水平數(shù)據(jù)的情況,尋求次級水平數(shù)據(jù)予以填補(bǔ)。例如本研究中,廢紙的收集及分類、化學(xué)品生產(chǎn)等過程不在組織的控制范圍內(nèi),過程活動(dòng)數(shù)據(jù)不能通過初級活動(dòng)水平數(shù)據(jù)計(jì)算的方式得到。因此,在進(jìn)行碳足跡評價(jià)時(shí)采用次級活動(dòng)數(shù)據(jù)。本研究中次級活動(dòng)數(shù)據(jù)主要來源有ecoinvent數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)資料中的數(shù)據(jù)。
1.3.3 刪減原則
(1)本研究的刪減原則為單一排放源占排放總量不到1%的,在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放不予考慮。但是,刪減的排放源的總比例不得超過整個(gè)產(chǎn)品碳足跡的5%。
(2)PAS 2050規(guī)定資產(chǎn)性商品生產(chǎn)所產(chǎn)生的排放不應(yīng)納入產(chǎn)品生命周期內(nèi)GHG排放。本研究對生產(chǎn)設(shè)備與建筑設(shè)施相關(guān)的生產(chǎn)、維護(hù)過程也不予以考慮。
1.3.4 分配原則
本研究中本著盡量避免分配的原則,在無法避免的情況下,采用相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行分配。分配方法為:①根據(jù)企業(yè)調(diào)研情況,所用廢紙來源于美國、歐洲及國內(nèi),因此不同運(yùn)輸方式產(chǎn)生的排放根據(jù)廢紙來源地的用量及運(yùn)輸方式進(jìn)行分配。②生產(chǎn)過程中,蒸汽、電力等能源消耗的分配依據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)量進(jìn)行分配;對能源生產(chǎn)過程中所排放的污染物的分配,根據(jù)各單元過程的能源消耗量進(jìn)行分配。
碳足跡計(jì)算方法為:①用活動(dòng)水平數(shù)據(jù)乘以該活動(dòng)的排放因子,得到各溫室氣體的排放量。②用上述的GHG排放量乘以相應(yīng)的全球變暖潛勢值(GWP),將GHG排放量換算為CO2當(dāng)量的排放。③各計(jì)算結(jié)果相加獲得每個(gè)功能單位的按CO2當(dāng)量表示的GHG排放量。
根據(jù)上述計(jì)算步驟及初級活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和次級水平數(shù)據(jù),計(jì)算得到系統(tǒng)邊界內(nèi)各單元過程的GHG排放量。
箱紙板在形成產(chǎn)品后,加工成各種紙箱、紙盒等包裝物,用于包裝各種產(chǎn)品。當(dāng)這些產(chǎn)品經(jīng)出售或消費(fèi)后,包裝物便廢棄。一部分通過回收利用,用于生產(chǎn)箱紙板,余下部分形成廢棄物,通過自然降解、填埋、焚燒等方式進(jìn)行處理。箱紙板在形成產(chǎn)品后在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生碳存儲(chǔ)效益,另外通過回收利用,延長了其生命周期,增加了碳存儲(chǔ)效益。根據(jù)PAS 2050附錄[1]中產(chǎn)品碳存儲(chǔ)影響的加權(quán)平均值計(jì)算規(guī)定計(jì)算生物碳儲(chǔ)存。
計(jì)算產(chǎn)品碳存儲(chǔ)時(shí)做以下假設(shè):箱紙板產(chǎn)品生產(chǎn)后的壽命為2年,2年后開始廢棄,部分廢棄產(chǎn)品通過回收進(jìn)行利用。目前國內(nèi)的廢紙回收率為43.8%,此后每年箱紙板可利用量逐漸減少,分別為19.2%、8.4%、3.7%、1.6%,經(jīng)過5次回收利用后,箱紙板完全廢棄。碳儲(chǔ)存效益的加權(quán)系數(shù)按公式(1)計(jì)算。
箱紙板碳儲(chǔ)量計(jì)算基于以下數(shù)據(jù):
箱紙板產(chǎn)品的水分含量為9%,根據(jù)IPCC[14]推薦的紙和紙板中碳含量為46%,可降解有機(jī)碳為44%,因此碳含量即為可降解有機(jī)碳含量44%。
每生產(chǎn)1000 kg箱紙板排放的纖維性廢渣為18.8 kg(絕干),用于瓦楞原紙抄造,也形成了產(chǎn)品碳存儲(chǔ)。
由此,1000 kg箱紙板產(chǎn)品中固定的CO2量為:
(1000+18.8)× (1-0.09)×0.44×44/12=1495.7(kgCO2e)。
生產(chǎn)1000 kg箱紙板碳存儲(chǔ)=1495.7×2.767%=41.4(kgCO2e)。
廢紙?jiān)谑占⒎诸愡^程中需進(jìn)行運(yùn)輸、分揀、打包等過程,會(huì)產(chǎn)生GHG排放。
由初級活動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到1000 kg箱紙板需要消耗1157 kg廢紙,根據(jù)ecoinvent數(shù)據(jù)庫中廢紙收集、分類排放因子,計(jì)算GHG排放量為139.9 kgCO2e/t。
廢紙制漿過程GHG排放,主要源自過程所消耗的水、電、蒸汽、化學(xué)品生產(chǎn)等所產(chǎn)生的GHG排放,計(jì)算結(jié)果為345.3 kgCO2e/t。
抄紙過程GHG排放,主要源自生產(chǎn)過程所消耗的水、電、蒸汽、化學(xué)品及包裝物生產(chǎn)等所產(chǎn)生的排放,計(jì)算結(jié)果為1111.6 kgCO2e/t。
廢水經(jīng)厭氧處理,便會(huì)造成CH4排放,同時(shí)產(chǎn)生N2O。廢水處理的CO2排放因是生物成因,不予以考慮。廢水及其淤渣成分,如果厭氧降解就會(huì)產(chǎn)生CH4。CH4的生成量主要取決于廢水中可降解有機(jī)材料量、溫度以及處理系統(tǒng)的類型。確定廢水中CH4產(chǎn)生潛勢的主要因子是廢水中可降解有機(jī)材料的數(shù)量。用于測量廢水有機(jī)成分的常見參數(shù)有生化需氧量(BOD)和化學(xué)需氧量 (COD)。
本研究中的廢水處理過程中采用了厭氧處理,產(chǎn)生的CH4未收集。根據(jù)工廠提供的初級活動(dòng)水平數(shù)據(jù),進(jìn)行厭氧處理前COD濃度為1500~1600 mg/L,計(jì)算時(shí)按1550 mg/L取值,每噸紙產(chǎn)生的廢水量為10.1 m3,則 COD處理量為 15.67 kg。根據(jù)公式(2)[14]計(jì)算排放因子。
式中,EF為排放因子,單位kgCH4/kgCOD;B0為最大CH4產(chǎn)生能力,單位kgCH4/kgCOD;MCF為甲烷修正因子 (比例),表示CH4產(chǎn)生潛勢B0的范圍,因此它又表明系統(tǒng)的厭氧程度;對于B0,本研究中采用IPCC[14]推薦值,為0.25 kgCH4/kgCOD,MCF 為0.5。
計(jì)算得到CH4排放因子為:0.25×0.5=0.13 kgCH4/kgCOD;根據(jù)公式 (3)[14]計(jì)算CH4排放量。
式中,ECH4為CH4排放量,單位kgCH4;TOW為廢水中可降解有機(jī)材料總量,單位kgCOD;S為以污泥清除的有機(jī)成分,單位kgCOD;EF為排放因子,單位kgCH4/kgCOD;R為收集的CH4量,單位kgCH4。
計(jì)算得到 CH4產(chǎn)生量15.67×0.13=2.04 kg,為50.91 kgCO2e。由于以污泥清除的有機(jī)成分?jǐn)?shù)據(jù)無法獲取,這里假設(shè)為0。企業(yè)未對產(chǎn)生的CH4進(jìn)行收集利用,因此R也為0。
源自廢水排放的N2O排放量可以通過公式(4)[14]計(jì)算。
式中,N2O排放為N2O排放量,單位kgN2O;N廢水為排放到水生環(huán)境廢水中的氮含量,單位kgN;EF廢水為源自廢水的 N2O排放的排放因子,單位kgN2O-N/kgN;44/28為 kgN2O-N到kgN2O的轉(zhuǎn)化;對于 EF廢水,IPCC缺省因子為0.005 kgN2O-N/kgN。排放廢水的氨氮濃度為0.33 mg/L,根據(jù)式 (4)計(jì)算得到處理每噸紙產(chǎn)生的廢水N2O排放為1.37E-05 kg,相當(dāng)于0.004 kgCO2e。
由上可知,廢水處理產(chǎn)生的GHG排放為50.9 kgCO2e/t。
運(yùn)輸過程包括原料、化學(xué)品、產(chǎn)品及廢棄物的運(yùn)輸,運(yùn)輸工具包括輪船和汽車,根據(jù)運(yùn)輸數(shù)量、運(yùn)輸距離及運(yùn)輸工具對應(yīng)的排放因子,計(jì)算生產(chǎn)1000 kg箱紙板所需的原料、產(chǎn)品、廢棄物運(yùn)輸產(chǎn)生的GHG排放量合計(jì)為130.7 kgCO2e/t。
生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體主要有:a.鐵絲、塑料、繩等混合物,由具有回收資質(zhì)的公司回收,用途未知;b.砂石、玻璃等無機(jī)廢棄物,外賣,用于制造建筑材料;c.含有纖維的廢渣、污泥,用于抄造瓦楞原紙。
由于第a、b類廢棄物用途未知,未評價(jià)其GHG排放。第c類廢棄物處理GHG排放計(jì)算如下。
生產(chǎn)1000 kg箱紙板排放的纖維性廢渣為18.8 kg(絕干),用于瓦楞原紙抄造,噸紙耗電280 kWh,耗汽4.4 GJ,計(jì)算得到處理廢棄物溫室氣體排放為20.2 kgCO2e/t。
選取以1000 kg箱紙板產(chǎn)品為功能單位,對以O(shè)CC生產(chǎn)的箱紙板進(jìn)行碳足跡評價(jià),包括從廢紙的收集、運(yùn)輸、廢紙制漿、箱紙板的抄造、復(fù)卷、包裝入庫,直至送到一級經(jīng)銷商或用戶,同時(shí)還包含能源生產(chǎn)、化學(xué)品生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)葐卧^程,即為從“搖籃-到-大門”的方法。通過收集的初級數(shù)據(jù)和次級數(shù)據(jù),計(jì)算得到1000 kg箱紙板產(chǎn)品的碳足跡結(jié)果,見表1。
生命周期各過程GHG排放量柱狀圖見圖1,各過程所占比例見圖2。
(1)本研究按照從“搖籃-到-大門”的方法對箱紙板產(chǎn)品碳足跡進(jìn)行了評價(jià),包括的過程有廢紙的收集及分類、廢紙制漿、箱紙板的抄造、復(fù)卷、分切、包裝入庫,直至送到經(jīng)銷商或用戶,同時(shí)還包含能源生產(chǎn)、化學(xué)品生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)葐卧^程。生產(chǎn)1000 kg箱紙板GHG排放為1798.2 kgCO2e,產(chǎn)品碳存儲(chǔ)為-41.4 kgCO2e。
表1 1000 kg箱紙板產(chǎn)品碳足跡計(jì)算結(jié)果
圖1 生命周期各過程GHG排放量
圖2 生命周期各階段GHG排放量所占比例圖
(2)GHG排放最大的過程是抄紙過程,占GHG排放量的61.7%;其次是廢紙制漿過程,占19.2%,兩者合計(jì)占總排放量的80.9%。抄紙和制漿是主要的排放過程,排放源主要來自電和蒸汽的消耗。
(3)化學(xué)品(如施膠劑、膨潤土)及包裝物(如紙芯)的用量很少,這些材料的生產(chǎn)所產(chǎn)生的排放合計(jì)占GHG排放的0.3%,按照刪減原則,這些排放源可以舍去?;瘜W(xué)品的運(yùn)輸GHG排放為4.3 kgCO2e,占GHG排放的0.2%,按照刪減原則,這些排放源可以舍去。兩者共計(jì)占GHG排放的0.5%。
以生命周期評價(jià)為基礎(chǔ),依據(jù)PAS2050商品和服務(wù)全生命周期的溫室氣體 (GHG)排放評價(jià)規(guī)范及歐洲造紙工業(yè)聯(lián)合會(huì) (CEPI)紙和紙板碳足跡評價(jià)框架文件,建立了箱紙板產(chǎn)品碳足跡評價(jià)方法,對我國某工廠以100%OCC為原料生產(chǎn)的箱紙板進(jìn)行了產(chǎn)品碳足跡評價(jià),該生產(chǎn)工藝在我國的包裝用紙行業(yè)具有典型性,得到了箱紙板產(chǎn)品生命周期各個(gè)單元過程GHG排放量。結(jié)果表明抄紙和制漿是主要的排放過程,排放源主要來自電和蒸汽的消耗,因此造紙工業(yè)提高能源利用效率、降低單位產(chǎn)品能耗是推行低碳造紙的必由之路。
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