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.北京工業大學材料與制造學部，北京 100020；2.北京中創綠發科技有限責任公司，北京 100089）

在碳達峰、碳中和戰略目標背景下，包裝行業對于綠色低碳包裝產品的需求日益增長，并且也逐漸成為包裝企業實現產品綠色低碳轉型關注的重點。2021年，中國快遞總量達到1 084 億件，其中紙質包裝占1/2 以上，瓦楞紙作為一種紙質快遞包裝更是發展迅速[1-2]。據中國造紙協會統計，2021 年瓦楞紙板的生產量達到5 500 萬t 以上，較2020 年增長14.96%，其中，瓦楞原紙和箱紙板的生產量分別占總生產量的22.18%和23.17%，成為占比最多的兩大類產品[3]。

根據中國包裝聯合會統計，瓦楞紙箱是中國紙包裝產品中應用最為廣泛的產品。2020 年瓦楞紙箱產量達到3 170.84 萬t，而且仍將隨著物流快遞業的發展而增長。

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是評價碳足跡的基礎方法，在造紙行業得到了廣泛的應用。MASTERNAK-JANUS 等[4]利用生命周期評價對原生木漿和廢紙漿2 種造紙系統進行了分析，比較了2種紙漿生產對氣候變化、人類健康、生態系統和化石燃料消耗的影響。SILVA 等[5]對生產巴西膠板印刷紙的森林系統和工業生產系統從能源消耗、潛在環境影響和土地利用3 個方面進行了生命周期評價，研究發現工業生產系統能源消耗占比91%，制漿和漂白階段對環境影響較大。DIAS 等[6]采用生命周期評價方法對葡萄牙采用藍桉生產的印刷書寫紙生產過程中的能源消耗以及CO2、SO2和COD 等排放物進行清單分析，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]通過擴展制漿造紙生產系統邊界，完善了國內外的三廢處理和廢紙運輸系統，對新聞紙生產進行了生命周期評價，結果表明全球變暖是最主要的環境問題。陳莎等[8]分析了2010 年和2015 年中國紙產品的生命周期碳排放，研究邊界從林木種植到廢物處置，結果顯示，制漿造紙階段碳排放量最高，高達86.33%。在實證研究方面，張歡[9]采用生命周期評價方法計算了某麥草造紙企業的碳足跡及碳匯率，發現該企業的麥草造紙生產線不符合低碳造紙要求。通過對紙產品生命周期評價的文獻調研發現，紙制品LCA研究的系統邊界一般更關注制漿、造紙的生產過程，且研究邊界的不一致導致無法對同類型的產品進行碳足跡比較。另外，現有案例對于紙質包裝產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的調研，采用生命周期評價方法對普通瓦楞紙箱和免膠型瓦楞紙箱開展碳足跡分析，辨識瓦楞紙箱產品生命周期階段碳排放貢獻，為包裝行業低碳產品設計開發及相關標準規范的制定提供方法和數據支持。

1 研究方法

1.1 研究邊界

2 種瓦楞紙箱產品的系統邊界包括原材料生產階段、瓦楞紙箱生產階段、使用和廢物處置階段，如圖1所示。功能單位定義為4 000 個最大綜合尺寸為794 mm，內置物最大質量為10 kg 的普通型和免膠型瓦楞紙箱產品。

圖1 瓦楞紙箱產品碳足跡核算邊界

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

表1 瓦楞紙箱生產核算邊界

表2 情景設置

1.2 碳排放計算方法和數據來源

1.2.1 瓦楞紙箱生產的碳排放計算

制漿造紙所用原料的廢紙回收主要涉及運輸，其排放計入廢物處置階段，原木采運數據參考周媛等[10]的研究成果，制漿造紙過程所用輔料施膠劑、助留劑等數據均來自Ecoinvent 數據庫。

紙箱生產階段主要能耗為設備運行消耗電力、自產蒸汽造成的煤炭消耗。該階段能源消耗數據以及輔料消耗數據來自廣東某綠色包裝產品制造企業；能源生產數據來源于北京工業大學工業大數據應用技術國家工程實驗室數據庫；玉米淀粉、硼砂、NaOH、水性油墨、丙烯、石腦油等輔料生產的碳排放數據來源于Ecoinvent 數據庫。免膠型瓦楞紙箱使用過程不再涉及其他物質消耗，普通型瓦楞紙箱生產過程中涉及膠帶的消耗，因此需要考慮膠帶生產的環境影響。本文根據實際情況設定，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，膠帶生產數據來自AN 等[11]的研究數據。

輔料生產碳當量排放計算公式如下：

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

1.2.2 廢棄處置情景的碳排放計算

廢紙回收采用人工對廢紙進行初步集中，然后運輸至造紙廠，再通過傳送帶運至分揀區域，分揀后的廢紙被打包儲存，用于廢紙制漿生產，主要為柴油和電力的消耗。由于各廢紙回收廠機械化程度不同，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]；其次廢紙運輸階段采用公路運輸造成的柴油消耗，廢紙運輸距離為廢紙來源地與紙及紙板主要生產地省會間的實際平均距離（280 km），該過程能耗碳排放核算基于IPCC 碳排放系數法，核算公式如下：

填埋主要釋放CH4與CO2，只考慮廢紙填埋的溫室氣體排放，核算公式[13]如下：

式中：W為廢紙填埋量的數值，單位t；XDOC為廢紙中可分解有機碳的比例的數值，單位%；XDOCf為廢紙中可分解有機碳的比例的數值，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行焚燒發電是資源循環利用的重要措施之一[14]。焚燒設定為完全燃燒，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電碳排放核算公式[13]如下：

普通瓦楞紙箱焚燒發電碳排放核算公式如下：

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

1.2.3 數據清單

基于廣東某綠色包裝產品制造企業及上游原料供應商的調研，采用上文中的碳排放計算方法，獲得基準情景下功能單位產品數據輸入輸出清單，如表3 所示。

表3 基準情景輸入輸出清單

2 結果分析

2.1 瓦楞紙箱產品碳足跡分析

廢紙漿免膠型紙箱（基準情景）、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 種產品生命周期各階段碳排放結果和溫室氣體構成情況如圖2 和圖3 所示。

圖2 紙箱產品生產各階段碳排放

圖3 溫室氣體構成

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 個情景焚燒產生的碳排放不同，主要原因是普通型紙箱焚燒處置時，考慮了膠帶燃燒的碳排放，基準情景和情景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（基準情景）。由于普通型產品在使用過程中需要搭配聚丙烯膠帶使用，膠帶生產和廢棄產生碳排放76.95 kgCO2eq，導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，分別產生碳排放0.50 kgCO2eq、26.84 kgCO2eq、5.71 kgCO2eq，原木漿產品的制漿過程能耗導致其碳排放高于廢紙漿產品。

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，主要由填埋產生，CH4排放量雖然不大，但其環境影響為CO2的28 倍，導致了其碳排放貢獻占比的升高。

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品在不同廢物處置方式下的碳排放結果如圖4 所示，主要溫室氣體構成如圖5 所示。

圖4 廢物處置階段碳排放

碳排放最高的為基準情景，碳排放為1 068.88 kgCO2eq，其中回收、焚燒、填埋時碳排放分別為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、填埋時碳排放分別為38.23 kgCO2eq、424.08 kgCO2eq、287.10 kgCO2eq。

基準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，與基準情景相比碳排放下降38%。由于回收比例提高，焚燒和填埋產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 與基準情景的回收率相同，提高了焚燒比例，其碳排放較基準情景降低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，其次為填埋產生的CO 2 排放，依次為174.24 kg、101.64 kg、65.34 kg；CH4產生的環境影響在各個情景中也占很大比例，CH4排放主要為填埋階段。

3 結論

研究在對典型紙箱包裝企業調研的基礎上，采用生命周期評價方法分析了免膠型瓦楞紙箱的碳排放，得到以下結果。

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%填埋的基準處置情景，包裝用紙箱產品生命周期碳排放主要來自廢物處置階段，其中主要貢獻來自焚燒階段的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電的比例提高1.0%約可降低1.5%的碳排放。