基于LCA的果汁制造過程的碳足跡核算

容耀坤，李仁旺，賈江鳴，沈思勛

(浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

2009年哥本哈根氣候大會以來，遏制碳排放已成為世界性議題，精益碳足跡核算技術逐步得到推廣，許多學者對碳足跡核算技術在各行業的應用進行了研究.張琦峰等基于投入產出法分析了多個領域的碳足跡問題，并采用態勢分析(Strengths Weakness Opportunity Threats，SWOT)框架探討了投入產出法的應用情況[1].童慶蒙等通過梳理國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)和各國現有碳足跡核算標準，提出了我國應考慮本土特色與國際接軌的建議[2].孫良峰等針對復雜裝備，構建了其零部件生產過程的碳足跡核算模型[3].劉瓊等對制造工藝流程與原料、產品的對應關系進行研究，采用車間經驗數據進行碳足跡核算，得出了生產流程的碳足跡總和[4].FANG等通過研究設備切削速度、加工時間與設備額定功率的關系，建立了碳足跡核算模型[5].張翠俠等將加工工位作為碳足跡核算單元，在假設生產條件下給出了每個工位的碳足跡核算公式[6].以上研究均未解決基礎數據不足的問題，缺少對具體數據進行處理和改善的有效措施.

本文首先根據生命周期評估(Life Cycle Assessment，LCA)法,結合生產實際，將杭州某食品公司的果汁生產線分成調配工序、制瓶工序、充填工序和包裝工序，并基于碳足跡的來源，將果汁制造過程的碳足跡進一步分為可變碳足跡和固定碳足跡，采用政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)制定的排放因子法(以下簡稱IPCC排放因子法)，建立碳足跡核算模型；其次核算各工序的可變碳足跡和生產線全局的固定碳足跡；然后對碳足跡核算結果進行分析的基礎上，提出低碳生產的改進措施；最后預測碳減排的量，并評估碳減排帶來的經濟效益.

1 碳足跡核算模型的建立

LCA法是評估一個產品、一項服務在其全生命周期中投入和產出對環境造成潛在影響的方法[7].該方法以產品的全生命周期為主線，評估整個生產活動對環境造成的影響，注重對產品制造“從搖籃到墳墓”整個過程的分析，具體包括生產、使用、廢棄及回收再利用等.它多用于對生產線的碳足跡核算.IPCC排放因子法是根據相關因子進行的一種估算，適用于計算生產中直接的碳足跡[8].它具有如下通用的計算公式：碳足跡=能源消耗量×排放因子.

從產品產量和生產時間角度，可將碳足跡分為可變碳足跡和固定碳足跡.可變碳足跡指的是與產品產量正相關的碳足跡，其本質是生產產品所帶來的直接消耗，如物料和直接參與生產的設備所產生的碳足跡，屬于產品排放；固定碳足跡是指產品整個生產過程中只與生產時間正相關而不與產品產量有直接聯系的碳足跡，其來源如車間照明、傳送帶等，屬于公共排放.

碳足跡核算的流程如圖1所示.

圖1 碳足跡核算的流程

因為可變碳足跡跟工序關系密切，所以本文以工序為線索，依次計算每個工序的可變碳足跡.由于固定碳足跡涉及公共排放，因此以總體生產時間來核算，而不以工序進行區分.針對每個工序算出的可變碳足跡與針對總體生產時間算出的固定碳足跡，可均分到每瓶果汁上.因此，產品生產過程總的碳足跡為：

(1)

式中：CFi為對應于工序i的可變碳足跡；CFf為產品整個生產過程的固定碳足跡.

對于CFi和CFf的計算，本文采用IPCC排放因子法.根據IPCC排放因子法，用資源消耗量乘以排放因子，可得出碳足跡.

=EM·γM+EE·γE+EP·γP

(2)

式中：Eij為工序i所消耗第j項資源的量；γij為對應于Eij的排放因子，它是一個比例系數，用于換算消耗資源和碳足跡；EM(Material)為物料資源量；EE(Electric energy)為電能資源量；EP(Process source)為工序來源；γM、γE和γP分別為對應于EM、EE和EP的排放因子.

CFf=EE·γE+EF·γF

(3)

式中：EF(Fossil fuel)為化石燃料量；γF為對應于EF的排放因子.

排放因子的量綱是參與計算的資源量綱,若針對生產設備的電能，則為“kg-CO2/kWh”；若針對物料，如原料、包裝材料或化石燃料，則為“kg-CO2/kg”.其中，“CO2”用作標記，這里專指碳足跡，以便與其他參數進行區分.碳足跡的量綱為kg，以質量來度量.

按照核算流程，可變碳足跡CFi包含三部分，分別為EM、EE、EP.其中，工序來源包括生產過程中化學、生物反應產生的碳足跡，這里的排放因子需根據產生碳足跡的產物確定.

2 果汁生產線碳足跡的核算

首先根據LCA法，結合杭州某食品公司果汁生產線實際情況，將該生產線劃分為4個工序，分別為調配工序、制瓶工序、充填工序和包裝工序(每個工序都是一個車間)；然后分析各工序的碳足跡來源，計算工序的可變碳足跡和該生產線的固定碳足跡；最后得出該果汁生產線單位產品的碳足跡核算結果.

2.1 調配工序的可變碳足跡核算

調配是整條果汁生產線的起始工序，亦是生產線中保密性最強的部分，該生產車間掌握著果汁原漿的配方，并負責原漿的調配工作.調配工序的任務是將原漿和其他配料投入碎冰機，進行加熱與充分混合，并使混合后液體溫度符合要求.

在碳足跡分類上，可變碳足跡包括電能和物料的碳足跡.而電能碳足跡來源為碎冰機和壓縮機.因此，碳足跡核算時需要了解這兩種設備的碳足跡參數.物料碳足跡的主要來源為果汁原漿.

根據杭州某食品公司提供的果汁調配相關數據，在調配過程中，原漿與其他原料的質量比約為1∶3.2(即1 kg果汁原漿調配3.2 kg的其他原料).其他原料的主要成分為水.該生產線中碎冰機的額定功率為4 kW，其產量效率為9 000 kg/h.在實際生產中，該碎冰機每次調配的量為6 000 kg，調配用時為50 min.在6 000 kg的調配液中，果汁原漿的質量為：M果漿=6 000×0.24=1 440(kg).經過測量，在該生產線生產的330 ml果汁飲品內果汁凈質量為0.364 kg.據此可算出，6 000 kg的調配液大約可充填16 484瓶果汁.這需要碎冰機工作50 min.根據碎冰機功率可算出，它在調配過程中消耗的電量約為3.3 kWh.根據IPCC公布的碳排放因子，電能的碳排放因子為0.54 kg-CO2/kWh.此外，根據相關文獻，胡蘿卜果漿的碳排放因子為1.31 kg-CO2/kWh.本文的碳足跡核算涉及橙汁，綜合考慮后，取其近似值1.50 kg-CO2/kg，作為果汁的碳排放因子.

根據以上數據，6 000 kg調配液在調配過程的可變碳足跡為：

1 440 kg×1.5 kg-CO2/kg+3.3 kWh×0.54 kg-CO2/kWh=2 161.782 kg-CO2

對應于調配工序，每瓶果汁的可變碳足跡為：

CF1=2 161.78 kg-CO2÷16 484≈0.131 kg-CO2

2.2 制瓶工序的可變碳足跡核算

制瓶所用材料為聚對苯二甲酸類塑料(PET)顆粒.制瓶工序的工藝流程包括：①PET顆粒熔化，吹塑成型瓶體；②成型瓶體在冷卻后由整列機進行整列，然后送至充填工序.因此，制瓶工序的可變碳足跡主要來自全自動吹塑機和整列機.PET作為生產原料之一，在核算碳足跡時需要考慮PET顆粒所附帶的碳足跡.通過查閱相關資料， PET顆粒的碳排放因子約為3.82 kg-CO2/kWh.全自動吹塑機的產量效率為4 000瓶/h ，額定功率為14 kW.整列機的產量效率為1 000瓶/h，額定功率為3 kW.在計算制瓶工序的可變碳足跡時，本文以每4 000個瓶體的生產過程作為一個研究單位，而每個瓶體的質量為22 g.由此可得，生產4 000個瓶體共消耗88 kg的PET顆粒.

根據以上數據，制瓶工序生產4 000個瓶體對應的可變碳足跡為：

(14 kW×1 h+3 kW×4 h)×1.5 kg-CO2/kWh+88 kg×3.82 kg-CO2/kg=375.16 kg-CO2

因此，對應于制瓶工序，每瓶果汁的可變碳足跡為：

CF2=375.16 kg-CO2÷4 000≈0.094 kg-CO2

2.3 充填工序的可變碳足跡核算

充填工序是整條生產線的重中之重.充填工序接收調配工序和制瓶工序送來的生產物料，在低溫條件下進行果汁的統一充填，經過品質檢驗，用傳送帶將產品送入下一工序——包裝工序.對應于充填工序，可變碳足跡的主要來源為沖洗機、充填機、壓蓋機和品檢機.這些設備的產量效率均為4 000瓶/h.充填工序生產設備的額定功率如表1所示.

表1 充填工序生產設備的額定功率

根據表1數據，可計算充填工序生產4 000瓶果汁對應的可變碳足跡，即

(4+6+2+0.5)kW×1 h×1.50 kg-CO2/kWh=18.75 kg-CO2

因此，對應于充填工序，每瓶果汁的可變碳足跡為：

CF3=18.75 kg-CO2÷4 000≈0.005 kg-CO2

2.4 包裝工序的可變碳足跡核算

在包裝工序，成品果汁依次經過噴碼機、貼標機、塑封機和碼垛機，在噴碼貼標、塑封包裝后進入碼垛.包裝工序的可變碳足跡主要來源于各類包裝設備.包裝工序生產設備的具體參數如表2所示.

表2 包裝工序生產設備的具體參數

根據表2數據，包裝工序包裝3 000瓶果汁所對應的可變碳足跡為：

[(0.5+0.6)×0.75+0.8+1]kW×1 h×1.5 kg-CO2/kWh=3.94 kg-CO2

因此，對應于包裝工序，每瓶果汁的可變碳足跡為：

CF4=3.94 kg-CO2÷3 000≈0.001 kg-CO2

2.5 果汁生產線的固定碳足跡核算

2.5.1 固定碳足跡來源分析

在該果汁生產線的具體生產流程中，除上述隨著產品產量變化的可變碳足跡外，還有大量的固定碳足跡.該固定碳足跡大多來源于基礎設備.

(1) 低溫壓縮機和制冷壓縮機.低溫壓縮機用于創設無菌環境，其額定功率為20 kW，須每天保持24 h工作.與低溫壓縮機類似的設備還有制冷壓縮機，其額定功率為15 kW.

(2) 傳送帶.該食品公司相關資料顯示，整條生產線上傳送帶長度為48 m，傳送裝置的額定功率為12 kW.

(3) 照明設備.據統計，共采用26個燈管為整條生產線提供照明，每個燈管的功率為20 W.

(4) 通風設備.經統計，該果汁生產線共設置10處通風設備，每處通風設備的額定功率為60 W.

(5) 叉車等搬運器械.叉車用于將產品搬離生產線并傳送入庫.叉車使用中消耗了化石燃料，存在碳足跡，但叉車的運輸過程并不是連續的.根據我國正在實施的GB20891標準，大于19 kW的非道路車輛用汽油機EPA(U.S Environmental Protection Agency，美國環境保護署)的碳排放因子為4.4 g/kWh.該果汁生產線上叉車的汽油機型號為五十鈴C240，其功率為34.5 kW.

2.5.2 固定碳足跡核算

在進行固定碳足跡核算時，應確認整條生產線的實際生產效率，找出整個生產流程的瓶頸工序.

統計發現，充填工序為整個生產流程的瓶頸工序.其單日停機記錄如圖2所示.

對充填工序的多日停機記錄統計可知，該果汁生產線充填工序的實際工作時間約占總工作時間的51.2%，其實際生產效率約為2 048瓶/h.該果汁生產線的成品率約為97.7%，生產效率約為2 000瓶/h.對于一桶調配液，該生產線需要實際生產8 h，實際生產的果汁約為16 000瓶.

為簡化計算，本文將該果汁生產線各工序生產時間統一為8 h.

因此,對于一桶調配液，從原料到成品整個生產過程的固定碳足跡為：

(20+15+12+26×0.02+10×0.06)kW×8 h×1.50 kg-CO2/kWh+4.4×10-3×34.5×8 kg-CO2=578.64 kg-CO2

每瓶果汁的固定碳足跡為：

CFf=578.64 kg-CO2÷16 000≈0.036 kg-CO2

2.6 果汁生產線單位產品的碳足跡核算結果

在得到各工序的可變碳足跡和生產線上固定碳足跡的核算結果后，可計算單瓶果汁在整個生產流程中的碳足跡，即

CF=CF1+CF2+CF3+CF4+CFf

=0.131+0.094+0.005+0.001+0.036

=0.267(kg-CO2)

該結果綜合考慮了可變碳足跡和固定碳足跡，以及生產線上可控因素對碳足跡的影響.

圖2 充填工序的單日停機記錄

3 碳足跡核算結果的分析

根據果汁生產線碳足跡核算結果，可繪制圖3所示的各工序可變碳足跡和生產線的固定碳足跡占比示意圖.

圖3 各工序可變碳足跡和生產線的固定碳足跡占比示意圖

從圖3可以看出，調配工序與制瓶工序的可變碳足跡在生產線各工序可變碳足跡中分列第一和第二，兩項之和占比超過80%.這是因為，調配工序和制瓶工序都有大量物料消耗，而物料消耗自身附帶的碳足跡是果汁生產線總碳足跡的重要組成部分.果汁原漿、瓶體材料與其他碳足跡占比如圖4所示.

圖4 果汁原漿、瓶體材料與其他碳足跡占比示意圖

結合圖4分析可知，在果汁生產過程中，碳足跡的主要來源是生產原料.因此，為減少碳足跡，應選擇更環保的原料，以減少由原料帶來的碳足跡.但考慮到果汁質量，以及原漿品質和果汁的配方要求，只能針對制造瓶體的膠質顆粒進行減少碳足跡的設計.

根據果汁生產線碳足跡核算的結果可進一步計算出，固定碳足跡與可變碳足跡分別占生產線總碳足跡的69%和31%,前者明顯高于后者.分析可知，整條生產線的實際生產時長是影響生產線碳足跡的一個重要因素.因此，針對該果汁生產線碳減排措施的設計，可從制瓶材料改進以及縮短生產線對應固定設備的生產時長兩方面做工作，在保證產品品質的前提下,有效地實現碳減排.

4 碳減排的措施及其成效

4.1 碳減排措施

根據上述分析，制定碳減排措施可從制瓶材料改進方面著手.PP(Polypropylene，聚丙烯)塑料目前在飲料用瓶市場上占有率逐漸增大，不斷逼近占比最高的PET塑料.與PET塑料相比，PP塑料具有價格低廉、耐熱性更好等特點.同時，其碳排放因子為3.50 kg-CO2/kg ，比PET塑料的碳排放因子低.綜合考慮后將該生產線包裝用PET塑料瓶體換成PP塑料瓶體.

此外，在使用固定設備時，將兩條生產線并排分布，在一定程度上共用基礎設備，從而減少相對于單一生產線的固定碳足跡.

4.2 采取碳減排措施前后碳足跡核算結果的對比

根據上述分析，可分別對兩項碳減排措施的成效進行核算，并與減排前的核算結果進行對比.

4.2.1 使用PP替換PET材料

PET材料僅出現在制瓶工序，該措施產生的影響也僅限于制瓶工序.替換瓶體材料后，制瓶工序生產4 000個瓶體對應的可變碳足跡為：

(14 kW×1 h+3 kW×4 h)×1.5 kg-CO2/kWh+88 kg×3.50 kg-CO2/kg=347 kg-CO2

替換瓶體材料后,對應于制瓶工序，每瓶果汁的可變碳足跡為：

根據核算結果，每瓶果汁在制瓶工序的碳足跡減少了0.007 kg-CO2.

4.2.2 兩條生產線共用基礎設備

一個儲料桶可以同時供應兩條生產線，消耗一桶調配液的時間相應地縮短為原來的一半.正壓房中的壓縮機可以共用，照明設備和通風設備也可以共用.但是，生產線上的傳送帶卻是不能共用的基礎設備.因此，兩條生產線共用基礎設備后，在碳足跡核算時，對應于傳送帶的碳足跡是原來的2倍.

對于一桶調配液從原料到成品整個生產過程的固定碳足跡為：

(20+15+12×2+26×0.02+10×0.06)kW×4 h×1.50 kg-CO2/kWh=360.72 kg-CO2

每瓶果汁的固定碳足跡為：

兩條生產線共用基礎設備后，每瓶果汁的固定碳足跡為0.023 kg-CO2，比采取碳減排措施前的0.036 kg-CO2減少了0.013 kg-CO2.

4.2.3 采取兩項碳減排措施的效果

對應于每瓶果汁，更換瓶體材料可減少碳足跡0.007 kg-CO2，兩條生產線共用基礎設備可減少0.013 kg-CO2碳足跡，兩項合計將減少碳足跡0.02 kg-CO2.采取碳減排措施前后每瓶果汁的碳足跡對比如圖5所示.

圖5 采取碳減排措施前后每瓶果汁的碳足跡對比

4.3 采取碳減排措施獲得的經濟效益

杭州某食品公司擁有4條果汁生產線，旺季時日產量為386 278瓶.旺季約占全年的三分之一，淡季約占全年的六分之一，二分之一時間屬于正常的生產季.本文對該公司全年產量估算時，擬定旺季日產量為360 000瓶，淡季日產量為旺季的四分之一，即90 000瓶，正常季日產量為旺季的二分之一，即180 000瓶，并設定全年生產360 d，則4條生產線的年總產量約為81 000 000瓶.采取碳減排措施后，該公司全年的碳減排量為：

81 000 000×0.02 kg-CO2=162 000 kg-CO2

查閱國內碳排放交易網數據可知，當前上海碳交易市場每噸CO2的全年平均交易價格為35.85元.由此可算出，兩項碳減排措施的實施，每年可以為該公司創造約58 077元的經濟效益.

5 結束語

本文提出一種基于LCA，面向生產工序，將碳足跡分攤到單位產品的碳足跡核算方法.根據果汁生產線的特點，按4個工序，對產品碳足跡進行了核算，每瓶果汁的碳足跡為0.267 kg-CO2.通過分析,針對杭州某食品公司，采用以PP塑料代替PET塑料，縮短單一生產線對應固定設備的生產時長的碳減排措施.兩項碳減排措施實施后，每瓶果汁減少碳足跡0.02 kg-CO2.該公司4條果汁生產線能實現碳減排162 000 kg-CO2，通過碳交易市場可獲得58 077元的經濟效益.

本文在產品碳足跡核算的基礎上，只針對兩項碳減排措施進行效益評價，而實踐中考慮產品特點、生產線特點及企業所在區域因素，可采取更多的碳減排措施.