基于生命周期評價 (LCA)的紙產品碳足跡評價方法

馬倩倩 盧寶榮 張清文

(中國制漿造紙研究院，北京，100102)

近些年來，全球氣候變化及其產生的不利影響已引起了廣泛關注。最新科學研究成果表明:全球地表平均溫度近百年來 (1906—2005年)升高了0.74℃，預計到21世紀末仍將上升1.1～6.4℃。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會 (IPCC)的結論，與2000年相比，到2050年全球二氧化碳排放量至少需要削減50%才能把全球長期平均氣溫上升限制在2.0～2.4℃［1］。為全面控制溫室氣體排放，應對全球氣候變暖給人類經濟和社會帶來的不利影響，1997年第3次締約方大會通過《京都議定書》，確定主要工業發達國家在2008—2012年期間，溫室氣體排放量在1990年的基礎上平均減少5.2%的目標。在世界經濟低碳化發展大趨勢下，我國積極采取措施，推進節能減排工作，制定《國家應對氣候變化方案》及其相關政策。并于2009年正式公布了我國的碳減排目標——到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40% ～45%［2］。二氧化碳等溫室氣體排放量的核算是進行溫室氣體減排的基礎，為了形象而準確地衡量溫室氣體排放對氣候以及對人類生活的影響，進行相關研究的環保組織和學者提出了“碳足跡”的概念。“碳足跡”概念的提出及碳足跡的核算為碳減排目標的實現奠定了基礎。

1 溫室效應、溫室氣體 (GHG)及全球增溫潛勢(GWP)的概念

溫室效應:大氣中的許多組分，能夠強烈吸收從地面返回外空間的長波輻射，這些組分在大氣中存在時，可將地面輻射回外空間的長波能量截留于大氣之中，使地球表面溫度升高，這種現象稱為溫室效應。

溫室氣體 (greenhouse gas，GHG):能夠引起溫室效應的氣體，稱為溫室氣體，目前已發現的有30多種，比較重要的有二氧化碳 (CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮 (N2O)、氫氟碳化物 (HFCS)、全氟碳化物 (PFCS)、六氟化硫 (SF6)、氯氟烴類化合物 (CFCS)、氫代氯氟烴類化合物 (HCFCS)、臭氧 (O3)、水蒸氣 (H2O) 等［3］，《京都議定書》中規定的為前6種。溫室氣體主要來源于工業、化石燃料的燃燒;泥塘、沼澤、稻田等場所中有機物的發酵;含氮肥料的生物作用;樹木與農作物的燃燒;海洋、森林產生的萜烯氧化反應;冰箱制冷劑的使用等。由于溫室氣體大量排放和在大氣中的不斷積累，使得溫室效應不斷強化，進而導致全球氣候變暖，為人類生存、農業生產等帶來了較大的影響。因此，溫室效應及溫室氣體的排放已成為人們關注的全球性環境問題。

全球增溫潛勢 (global warming potential，GWP):是將單位質量的某種GHG在給定時間段內輻射強度的影響與等量二氧化碳輻射強度影響相關聯的系數。CO2的GWP值定為1，而其他溫室氣體的GWP則按相對于源自化石碳源的CO2的GWP值表示。聯合國政府間氣候變化專業委員會 (IPCC) (2007版)提供的100年評價期的主要溫室氣體的GWP如表1所示。

表16 種溫室氣體的GWP

2 碳足跡的概念

目前為止，碳足跡還沒有準確的、學術性的定義。各個國家機構、不同學者對其有不同的定義。

在 EPAT (Environmental Technologies Action Plan)中，碳足跡是指人類活動過程中所排放的溫室氣體，以 CO2的量表示［4］。

在英國碳基金公司 (Carbon Trust)的定義中，碳足跡是衡量某一種產品在其全生命周期中 (原材料開采、加工、廢棄產品的處理)所排放的CO2以及其他溫室氣體轉化的CO2當量［5］。

Wiedmann＆Minx認為，碳足跡一方面為某一產品或服務系統在其全生命周期所排放的CO2的總量;另一方面為某一活動過程中所直接和間接排放的CO2總量，活動的主題包括個人、組織、政府以及工業部門等［6］。

在以上各定義中，以Wiedmann＆Minx對碳足跡的定義較為全面，但是該定義中的碳足跡僅指CO2的排放量，而沒有衡量其他溫室氣體對于氣候變化的影響。根據研究，其他的溫室氣體如CH4、N2O雖然排放量較少，但是其對氣候變化的影響也是不可忽視的，如CH4的GWP是CO2的25倍。因此，綜合以上定義，將碳足跡評價的范疇進一步擴大到其他溫室氣體，即碳足跡是某一產品或服務系統在其全生命周期內的溫室氣體排放總量，或活動主體 (包括個人、組織、部門等)在某一活動過程中直接和間接的溫室氣體排放總量，以CO2當量(CO2eq) 來表示［7］。

3 生命周期評價概述

3.1 生命周期評價的概念

生命周期評價 (LCA)是對產品全生命過程，包括原材料的提取和加工、產品制造、使用、再生循環利用直至最終廢棄的環境因素的判別及潛在環境影響的評估和研究。有人形象地稱LCA為“從搖籃到墳墓”的評價。LCA通過對產品整個生命周期內能源和物料的使用以及環境排放的辨識和定量，評估該產品對資源和能源消耗及對人類健康和生態環境的影響，同時通過分析需求改善生態環境［8-11］。

3.2 生命周期評價步驟

根據ISO14040標準定義的方法學框架，LCA包括目的與范圍的確定 (Goal and Scope Definition)、清單分析 (Inventory Analysis)、影響評價 (Impact Assessment)和結果解釋 (Interpretation)4個組成部分［12］。

3.2.1 目標與范圍的確定［13］

定義目標與范圍是LCA的第一步，它是清單分析、影響評價和結果解釋的出發點和立足點，直接影響到整個評價工作程序和最終的研究結論。研究范圍定義了所研究的產品系統、邊界、數據要求、假設及局限性等。研究范圍的界定要足以保證研究的廣度、深度和詳盡程度，要與研究目的相適應，使所研究對象生命周期的所有過程都落入系統的邊界內。

由于LCA方法是一種基于定量計算的評價方法，產品系統各方面情況的描述就需要以一定的功能為基準，因此在目的與范圍確定階段，功能單位的選取是至關重要的。功能單位是對產品系統輸出功能的度量，它的基本作用是為有關的輸入和輸出提供參照基準，以保證LCA結果的可比性。

3.2.2 清單分析［13］

清單分析是LCA基本數據的一種表達，是進行生命周期影響評價的基礎。建立清單的過程即在所確定的產品系統內，針對每個單元過程，建立相應功能單位的系統輸入和輸出。清單分析是對產品、工藝或活動在其整個生命周期階段的資源、能源消耗和向環境的排放 (包括廢氣、廢水、固體廢棄物及其他環境釋放物)進行數據量化分析。清單分析的核心是建立以產品功能單位表達的產品系統的輸入和輸出，即建立清單。

進行清單分析是一個反復的過程。當取得了一批數據，并對系統有進一步的認識后，可能會出現新的數據要求，或發現原有數據的局限性，因而要求對數據收集程序作出修改，以適應研究目的。有時也會要求對研究目的或范圍加以修改。

3.2.3 影響評價［14］

生命周期影響評價是LCA的重要組成部分，目的是對清單分析所識別的環境影響因子進行定性與定量的表征評價，以確定產品生命周期過程中的物質能量交換對其外部環境的影響程度。

3.2.4 結果解釋［15］

結果解釋的目的是根據LCA前三個階段的研究成果，全面地分析結果、得出結論、解釋研究中存在的局限性、對分析對象提出改進建議并報告生命周期解釋的結果，最終通過生命周期解釋盡可能以易于理解、完整和一致的方法來表達LCA研究的結果。

4 基于LCA的紙產品碳足跡評價實施步驟

紙產品碳足跡評價是基于上述介紹的LCA法，以紙產品生產的流程圖為基本出發點，通過紙產品的生命周期輸入和輸出數據清單，計算紙產品全生命周期的碳排放，即碳足跡。

4.1 啟動階段 (第一步)

4.1.1 設定目標

紙產品碳足跡評價的目標是通過量化評估紙產品在原材料獲取、生產、運輸、最終處置等全生命周期的資源、能源消耗以及溫室氣體排放，為企業對生產過程的生態辨識及工藝的改進提供科學的依據;產品碳足跡評價研究的深化成熟，可以加快產品“碳標簽”實施和推廣的進度;另一方面，企業通過參與碳足跡評價研究，可以督促自身建立一套完善的環保數據采集系統。

4.1.2 確定功能單位

本著功能單位應該可測量、與產品系統的輸入、輸出數據直接相關的原則，結合國內外紙產品生命周期研究功能單位的選取案例，建議選擇1 t紙產品作為功能單位。

4.1.3 供應商參與

通常情況下，公司完全了解自己的生產過程，但是在公司邊界以外的地方，對過程、材料、能源需求和廢物的了解卻往往有很大的不同。因此供應商的參與對了解產品的生命周期以及數據收集至關重要。

4.2 紙產品碳足跡的計算 (第二步)

4.2.1 繪制過程圖并確定系統邊界

4.2.1.1 繪制過程圖

這一步驟的目的是確定對所選紙產品生命周期有貢獻的所有材料、活動和過程。過程圖在整個碳足跡計算過程中作為一種寶貴的工具，提供了指導收集數據和計算碳足跡的圖示參考。紙產品生產過程圖如圖1所示。

圖1 紙產品生產過程圖

4.2.1.2 確定系統邊界

系統邊界界定時應本著盡可能多地涵蓋產品全生命周期的基本原則，同時結合我國造紙行業的現狀，根據過程圖對不同單元過程進行取舍及不同程度的研究。對于以原生纖維為原料的紙種，全生命周期包括植物種植及采伐、能源生產、化學品生產、制漿生產、廢水處理、造紙生產、紙產品的使用、運輸及最終處置 (分為回收、焚燒和填埋);對于以回用纖維為原料的紙種，其全生命周期包括廢紙回收、能源生產、化學品生產、廢紙漿生產、造紙生產、廢水處理、紙產品的使用、運輸以及最終處置等單元過程;而對于原料既有原生纖維又有回用纖維的紙種，生命周期則應包括植物種植及采伐、廢紙回收、能源生產、化學品生產、原生漿和廢紙漿生產、造紙生產、紙產品的使用、廢水處理、運輸以及最終處置。然而在實際操作中，由于數據獲取和數據質量方面的限制，計算時可能無法將生命周期所有單元過程考慮在內，因此需根據實際情況確定系統邊界。

(1)植物種植、采伐包括樹木、竹子、農作物等植物的種植、采伐、運輸等過程。

(2)原生漿制漿生產主要為削片、蒸煮、洗滌、篩選、漂白和堿回收等過程。

(3)廢紙回收主要為廢紙的收集、分類、運輸等。

(4)廢紙漿又分為脫墨漿和非脫墨漿，脫墨漿生產主要包括疏解、篩選、除渣、浮選、漂白等工段;而非脫墨漿生產則包括疏解、篩選、除渣等。

(5)造紙生產主要為抄紙過程，包括打漿、成形、壓榨、干燥、壓光、卷取、包裝等過程。

(6)化學品生產為制漿 (包括廢紙漿的生產)、抄紙過程中所用的輔助化學品的生產過程。

(7)能源生產為制漿、抄紙等過程中所消耗電力、蒸汽等能源的生產過程。

(8)廢水處理主要是指造紙企業內對制漿、抄紙等過程的廢水的處理過程。

(9)運輸。

(10)紙產品最終處置，大致分為回收利用、填埋和焚燒3種方式。

4.2.2 清單分析

清單分析的步驟包括數據收集的準備、數據收集、數據的取舍及分配等。

4.2.2.1 數據收集的準備

實際操作中，數據的收集可能涉及多家供應商和文獻、報告、數據庫等，因此需做好數據收集前的準備工作。在數據收集之前最好制定數據收集表，按照數據收集表對各個單元過程的輸入、輸出數據進行收集，不僅可以節約時間，而且使得數據收集更具有條理性。數據收集過程中，應遵循數據質量要求。

4.2.2.2 數據收集

對于數據收集，通常的做法是根據所確定的研究范圍、系統邊界，將產品系統分為若干個具有不同功能的單元過程。然后根據各個單元過程本身的特點從資源、能源消耗方面進行相關數據收集，在各個生產單元過程中需要不同的能源如電力、蒸汽等，而這些能源的生產是溫室氣體的主要排放源。

(1)數據類型

碳足跡計算所需數據可以分為兩類:活動水平數據和排放因子。活動水平數據是指產品生命周期中涉及到的所有材料和能源消耗數量，又分為初級活動水平數據和次級數據。

a.初級活動水平數據是指針對具體產品生命周期由內部管理人員或供應鏈中別人所做的直接測量數據，即企業提供的數據。例如，制漿、造紙過程中消耗的電力、蒸汽數量都屬于初級活動水平數據。

b.次級數據是指不針對具體產品的外部測量，但是一種對同類過程或材料的平均或通用測量。無法獲得初級活動水平數據或初級活動水平數據有問題時，有必要使用直接測量以外其他來源的次級數據。數據庫中的數據、文獻數據以及非報告性數據都屬于次級數據。

c.排放因子是一種聯系，可將活動水平數據轉換成溫室氣體排放量:“單位”活動水平數據排放的溫室氣體數量。如IPCC推薦的能源工業中無煙煤的CO2、CH4、N2O的排放因子分別為 98300 kg/TJ、1 kg/TJ和1.5 kg/TJ，即無煙煤燃燒產熱，每生產1 TJ熱量，CO2、CH4和N2O的排放量分別為98300 kg、1 kg 和 1.5 kg［16］。

(2)數據質量要求

完整性:包括對一個產品生命周期排放提供“實質性”貢獻的所有GHG排放和存儲。

準確性:盡可能地減少誤差和不確定性。

一致性:在GHG相關信息中能夠進行有意義的比較。

4.2.2.3 數據的取舍及分配

(1)數據的取舍

對于系統邊界規定的范圍內，在每個生產工藝中，單一排放源占排放總量不足1%的，在生產過程中產生的碳排放不予考慮。但是非實質性排放源(碳排放小于該產品生命周期總碳排放1%的排放源)的比例不得超過總排放的5%［17］。

(2)數據的分配

實際生產中，只使用單一原材料或只產出單一產品的工業過程極為少見。在LCA研究中，當一種生產工藝過程產出多種產品時，必須根據某一分配參數把物流、能流和環境排放等合理地分配到各個產品中，盡可能客觀反映系統的環境行為。分配參數可以采用產品的質量、體積、能量等物理參數。紙產品生產中涉及分配時建議采用如下的分配方法:

a.在紙產品生產過程中，蒸汽、電力等的分配依據產品質量進行分配;制漿、造紙等單元過程在消耗能源的同時，對能源生產過程中所排放的污染物的分配，根據各單元過程的能源消耗量進行分配。

b.企業廢水處理過程的數據應當包含在碳足跡評價的生命周期范圍內，廢水處理過程中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;如果企業的生產現場沒有廢水處理設施，應當從相關污水處理站獲取相關數據，獲取的相關數據應當依據廢水處理成本進行分配。

c.如果企業的原材料存在多家供應商，則應收集供應商的相關數據，并按照實際使用比率進行分配。

4.2.3 碳足跡計算

4.2.3.1 森林固碳量的計算

將森林碳存儲量變化的年平均值定義為森林固碳量，用公式 (1)表示。

式中，S為森林固碳量，t;C2為第二年的森林碳存儲量，t;C1為第一年的森林碳存儲量，t。

只有后一年的森林碳存儲量大于前一年森林碳存儲量時，即S＞0時，森林才有固碳效益。將砍伐的木材看做森林輸出的“產品”，根據年平均砍伐量計算得到每立方米木材對應的森林固碳量［18］。

4.2.3.2 產品碳存儲量的計算

這里述及的紙產品的碳存儲量是指在設定的評價期內，紙產品使用以及填埋不能立即分解產生的延遲排放量。因使用產生的延遲排放 (紙產品的碳存儲量)，其加權系數可用公式 (2)計算［19］。

式中，t0為紙產品的壽命，即紙產品產生后到最終處置的時間，單位為年 (a)。

例如，某批紙產品 (假設1 t)，經過2年的時間(包括在生產商倉庫的存放、超市的存放以及銷售至消費者和消費者使用的時間)進入垃圾處理站進行處理。根據IPCC推薦的紙和紙板的碳含量為46%，紙產品的水分含量為7%，則延遲排放的加權系數為:

則延遲排放量，即該紙產品的碳存儲量為1000× (1－0.07) ×0.46× (1－0.9848) ×44/12=23.84(kg CO2)。

紙產品的最終處置大致分為3種方式:回收利用、焚燒和填埋。在填埋場，廢紙與其他生活垃圾不能立即分解，而是發生了復雜的生化反應。因此，在給定的評價期內，部分未分解的廢紙中的碳仍儲存在廢紙中，即因填埋產生的延遲排放。該部分延遲排放量可通過未降解的碳與CO2-C(44/12)轉化系數計算得到。仍以上例為例，1 t紙產品，含水量7%，碳含量46%，可降解有機碳44%。在設定的評價期內，填埋后可降解有機碳中60%發生降解，則因填埋產生的延遲排放量為:

1000 × (1－0.07) ×0.44× (1－0.6) ×44/12=600.16(kg CO2)

4.2.3.3 碳排放的計算［19］

紙產品的碳足跡計算具體細化為以下幾步:

(1)應用活動水平數據乘以該活動的排放因子(每單位的GHG排放量)，將初級活動水平數據和次級數據換算為GHG排放量，基本公式見公式 (3)所示。

(2)應用具體GHG排放值乘以相應的GWP值，將GHG數據換算為CO2當量的排放。

(3)與產品有關的碳存儲的影響應以CO2當量表示，產品儲存的CO2的量可以從上述步驟 (2)計算出的總量中扣除，也可以單獨報告。

(4)各計算結果應相加以獲得每個功能單位的按CO2當量表示的GHG排放量。

4.2.4 不確定性分析 (可選項)

不確定性分析是用來判定與量化由于輸入的不確定性和數據變動的積累給結果帶來的不確定性的系統化程序。這一步驟的目的是衡量碳足跡結果中的不確定性并使其最小化，提高碳足跡比較結果的可信度，以及提高基于碳足跡的決策水平。

推薦的不確定性的計算方法是對建立的碳足跡的評價方法進行一次蒙特卡洛分析。有很多可用于進行蒙特卡洛分析的軟件包。另外，一些LCA包也整合了蒙特卡洛功能。一旦發現了不確定性的來源，則通常可遵循以下方法減少不確定性的源頭:用質量好的初級活動水平數據代替次級數據，并非初級數據的不確定性總是低于次級數據，但是對于某個特定過程或排放源，用不確定評估來判定采用初級活動水平數據還是次級數據是一種很好的判定方法;采用質量更好的次級數據，即更有針對性的、更接近的或更完整的數據;改進用于計算碳足跡的方法，使之更具有代表性。

4.3 結果解釋 (第三步)

結果解釋即對上述紙產品生產全生命周期各單元過程的碳足跡進行分析，得出結論，挖掘碳減排的潛力。通過與其他供應商溝通、協商，針對存在減排潛力的環節，通過加強管理、改進工藝等方法達到減排的目的。

5 總結與展望

5.1 總結

本文結合生命周期評價 (LCA)方法與我國紙產品生產現狀，提出了一套適合我國紙產品碳足跡評價的方法，研究的范圍從原材料種植與采伐開始，直至紙產品使用完畢后的最終處置，涵蓋了紙產品從原材料生產到廢棄處置的全生命周期。

5.2 展望

整體而言，紙產品碳足跡評價的研究與應用在我國才剛剛起步。目前，紙產品碳足跡評價研究也僅有金東紙業對其企業碳足跡評價一例，并且是委托英國碳基金公司 (Carbon Trust)完成的。因此，紙產品的碳足跡評價研究無論是從理論方法方面，還是從其應用方面都有待加強。紙產品生產產業鏈較長，涉及林業、農業、化學、交通、能源、環境等，尤其是在森林碳存儲量變化的計算方面，目前還沒有成熟的方法供采用。另外，在我國，廢紙的管理也不夠完善，給最終處置階段的碳排放核算帶來了一定的困難。因此，接下來的工作一方面需要將國際上相對成熟的方法引入我國造紙行業，并與我國造紙行業的特點相結合，建立完善的紙產品碳足跡評價管理體系;另一方面，在紙產品碳足跡評價管理體系的建立過程中，不斷將其應用于具體紙產品的碳足跡評價中，根據發現的問題總結解決方案，進而促進紙產品碳足跡評價體系的成熟、完善。

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