基于生命周期评价 (LCA)的纸产品碳足迹评价方法

2012-01-12马倩倩卢宝荣张清文

中国造纸 2012年9期

马倩倩卢宝荣张清文

(中国制浆造纸研究院，北京，100102)

近些年来，全球气候变化及其产生的不利影响已引起了广泛关注。最新科学研究成果表明:全球地表平均温度近百年来 (1906—2005年)升高了0.74℃，预计到21世纪末仍将上升1.1～6.4℃。根据联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC)的结论，与2000年相比，到2050年全球二氧化碳排放量至少需要削减50%才能把全球长期平均气温上升限制在2.0～2.4℃［1］。为全面控制温室气体排放，应对全球气候变暖给人类经济和社会带来的不利影响，1997年第3次缔约方大会通过《京都议定书》，确定主要工业发达国家在2008—2012年期间，温室气体排放量在1990年的基础上平均减少5.2%的目标。在世界经济低碳化发展大趋势下，我国积极采取措施，推进节能减排工作，制定《国家应对气候变化方案》及其相关政策。并于2009年正式公布了我国的碳减排目标——到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40% ～45%［2］。二氧化碳等温室气体排放量的核算是进行温室气体减排的基础，为了形象而准确地衡量温室气体排放对气候以及对人类生活的影响，进行相关研究的环保组织和学者提出了“碳足迹”的概念。“碳足迹”概念的提出及碳足迹的核算为碳减排目标的实现奠定了基础。

1 温室效应、温室气体 (GHG)及全球增温潜势(GWP)的概念

温室效应:大气中的许多组分，能够强烈吸收从地面返回外空间的长波辐射，这些组分在大气中存在时，可将地面辐射回外空间的长波能量截留于大气之中，使地球表面温度升高，这种现象称为温室效应。

温室气体 (greenhouse gas，GHG):能够引起温室效应的气体，称为温室气体，目前已发现的有30多种，比较重要的有二氧化碳 (CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮 (N2O)、氢氟碳化物 (HFCS)、全氟碳化物 (PFCS)、六氟化硫 (SF6)、氯氟烃类化合物 (CFCS)、氢代氯氟烃类化合物 (HCFCS)、臭氧 (O3)、水蒸气 (H2O) 等［3］，《京都议定书》中规定的为前6种。温室气体主要来源于工业、化石燃料的燃烧;泥塘、沼泽、稻田等场所中有机物的发酵;含氮肥料的生物作用;树木与农作物的燃烧;海洋、森林产生的萜烯氧化反应;冰箱制冷剂的使用等。由于温室气体大量排放和在大气中的不断积累，使得温室效应不断强化，进而导致全球气候变暖，为人类生存、农业生产等带来了较大的影响。因此，温室效应及温室气体的排放已成为人们关注的全球性环境问题。

全球增温潜势 (global warming potential，GWP):是将单位质量的某种GHG在给定时间段内辐射强度的影响与等量二氧化碳辐射强度影响相关联的系数。CO2的GWP值定为1，而其他温室气体的GWP则按相对于源自化石碳源的CO2的GWP值表示。联合国政府间气候变化专业委员会 (IPCC) (2007版)提供的100年评价期的主要温室气体的GWP如表1所示。

表16 种温室气体的GWP

2 碳足迹的概念

目前为止，碳足迹还没有准确的、学术性的定义。各个国家机构、不同学者对其有不同的定义。

在 EPAT (Environmental Technologies Action Plan)中，碳足迹是指人类活动过程中所排放的温室气体，以 CO2的量表示［4］。

在英国碳基金公司 (Carbon Trust)的定义中，碳足迹是衡量某一种产品在其全生命周期中 (原材料开采、加工、废弃产品的处理)所排放的CO2以及其他温室气体转化的CO2当量［5］。

Wiedmann＆Minx认为，碳足迹一方面为某一产品或服务系统在其全生命周期所排放的CO2的总量;另一方面为某一活动过程中所直接和间接排放的CO2总量，活动的主题包括个人、组织、政府以及工业部门等［6］。

在以上各定义中，以Wiedmann＆Minx对碳足迹的定义较为全面，但是该定义中的碳足迹仅指CO2的排放量，而没有衡量其他温室气体对于气候变化的影响。根据研究，其他的温室气体如CH4、N2O虽然排放量较少，但是其对气候变化的影响也是不可忽视的，如CH4的GWP是CO2的25倍。因此，综合以上定义，将碳足迹评价的范畴进一步扩大到其他温室气体，即碳足迹是某一产品或服务系统在其全生命周期内的温室气体排放总量，或活动主体 (包括个人、组织、部门等)在某一活动过程中直接和间接的温室气体排放总量，以CO2当量(CO2eq) 来表示［7］。

3 生命周期评价概述

3.1 生命周期评价的概念

生命周期评价 (LCA)是对产品全生命过程，包括原材料的提取和加工、产品制造、使用、再生循环利用直至最终废弃的环境因素的判别及潜在环境影响的评估和研究。有人形象地称LCA为“从摇篮到坟墓”的评价。LCA通过对产品整个生命周期内能源和物料的使用以及环境排放的辨识和定量，评估该产品对资源和能源消耗及对人类健康和生态环境的影响，同时通过分析需求改善生态环境［8-11］。

3.2 生命周期评价步骤

根据ISO14040标准定义的方法学框架，LCA包括目的与范围的确定 (Goal and Scope Definition)、清单分析 (Inventory Analysis)、影响评价 (Impact Assessment)和结果解释 (Interpretation)4个组成部分［12］。

3.2.1 目标与范围的确定［13］

定义目标与范围是LCA的第一步，它是清单分析、影响评价和结果解释的出发点和立足点，直接影响到整个评价工作程序和最终的研究结论。研究范围定义了所研究的产品系统、边界、数据要求、假设及局限性等。研究范围的界定要足以保证研究的广度、深度和详尽程度，要与研究目的相适应，使所研究对象生命周期的所有过程都落入系统的边界内。

由于LCA方法是一种基于定量计算的评价方法，产品系统各方面情况的描述就需要以一定的功能为基准，因此在目的与范围确定阶段，功能单位的选取是至关重要的。功能单位是对产品系统输出功能的度量，它的基本作用是为有关的输入和输出提供参照基准，以保证LCA结果的可比性。

3.2.2 清单分析［13］

清单分析是LCA基本数据的一种表达，是进行生命周期影响评价的基础。建立清单的过程即在所确定的产品系统内，针对每个单元过程，建立相应功能单位的系统输入和输出。清单分析是对产品、工艺或活动在其整个生命周期阶段的资源、能源消耗和向环境的排放 (包括废气、废水、固体废弃物及其他环境释放物)进行数据量化分析。清单分析的核心是建立以产品功能单位表达的产品系统的输入和输出，即建立清单。

进行清单分析是一个反复的过程。当取得了一批数据，并对系统有进一步的认识后，可能会出现新的数据要求，或发现原有数据的局限性，因而要求对数据收集程序作出修改，以适应研究目的。有时也会要求对研究目的或范围加以修改。

3.2.3 影响评价［14］

生命周期影响评价是LCA的重要组成部分，目的是对清单分析所识别的环境影响因子进行定性与定量的表征评价，以确定产品生命周期过程中的物质能量交换对其外部环境的影响程度。

3.2.4 结果解释［15］

结果解释的目的是根据LCA前三个阶段的研究成果，全面地分析结果、得出结论、解释研究中存在的局限性、对分析对象提出改进建议并报告生命周期解释的结果，最终通过生命周期解释尽可能以易于理解、完整和一致的方法来表达LCA研究的结果。

4 基于LCA的纸产品碳足迹评价实施步骤

纸产品碳足迹评价是基于上述介绍的LCA法，以纸产品生产的流程图为基本出发点，通过纸产品的生命周期输入和输出数据清单，计算纸产品全生命周期的碳排放，即碳足迹。

4.1 启动阶段 (第一步)

4.1.1 设定目标

纸产品碳足迹评价的目标是通过量化评估纸产品在原材料获取、生产、运输、最终处置等全生命周期的资源、能源消耗以及温室气体排放，为企业对生产过程的生态辨识及工艺的改进提供科学的依据;产品碳足迹评价研究的深化成熟，可以加快产品“碳标签”实施和推广的进度;另一方面，企业通过参与碳足迹评价研究，可以督促自身建立一套完善的环保数据采集系统。

4.1.2 确定功能单位

本着功能单位应该可测量、与产品系统的输入、输出数据直接相关的原则，结合国内外纸产品生命周期研究功能单位的选取案例，建议选择1 t纸产品作为功能单位。

4.1.3 供应商参与

通常情况下，公司完全了解自己的生产过程，但是在公司边界以外的地方，对过程、材料、能源需求和废物的了解却往往有很大的不同。因此供应商的参与对了解产品的生命周期以及数据收集至关重要。

4.2 纸产品碳足迹的计算 (第二步)

4.2.1 绘制过程图并确定系统边界

4.2.1.1 绘制过程图

这一步骤的目的是确定对所选纸产品生命周期有贡献的所有材料、活动和过程。过程图在整个碳足迹计算过程中作为一种宝贵的工具，提供了指导收集数据和计算碳足迹的图示参考。纸产品生产过程图如图1所示。

图1 纸产品生产过程图

4.2.1.2 确定系统边界

系统边界界定时应本着尽可能多地涵盖产品全生命周期的基本原则，同时结合我国造纸行业的现状，根据过程图对不同单元过程进行取舍及不同程度的研究。对于以原生纤维为原料的纸种，全生命周期包括植物种植及采伐、能源生产、化学品生产、制浆生产、废水处理、造纸生产、纸产品的使用、运输及最终处置 (分为回收、焚烧和填埋);对于以回用纤维为原料的纸种，其全生命周期包括废纸回收、能源生产、化学品生产、废纸浆生产、造纸生产、废水处理、纸产品的使用、运输以及最终处置等单元过程;而对于原料既有原生纤维又有回用纤维的纸种，生命周期则应包括植物种植及采伐、废纸回收、能源生产、化学品生产、原生浆和废纸浆生产、造纸生产、纸产品的使用、废水处理、运输以及最终处置。然而在实际操作中，由于数据获取和数据质量方面的限制，计算时可能无法将生命周期所有单元过程考虑在内，因此需根据实际情况确定系统边界。

(1)植物种植、采伐包括树木、竹子、农作物等植物的种植、采伐、运输等过程。

(2)原生浆制浆生产主要为削片、蒸煮、洗涤、筛选、漂白和碱回收等过程。

(3)废纸回收主要为废纸的收集、分类、运输等。

(4)废纸浆又分为脱墨浆和非脱墨浆，脱墨浆生产主要包括疏解、筛选、除渣、浮选、漂白等工段;而非脱墨浆生产则包括疏解、筛选、除渣等。

(5)造纸生产主要为抄纸过程，包括打浆、成形、压榨、干燥、压光、卷取、包装等过程。

(6)化学品生产为制浆 (包括废纸浆的生产)、抄纸过程中所用的辅助化学品的生产过程。

(7)能源生产为制浆、抄纸等过程中所消耗电力、蒸汽等能源的生产过程。

(8)废水处理主要是指造纸企业内对制浆、抄纸等过程的废水的处理过程。

(9)运输。

(10)纸产品最终处置，大致分为回收利用、填埋和焚烧3种方式。

4.2.2 清单分析

清单分析的步骤包括数据收集的准备、数据收集、数据的取舍及分配等。

4.2.2.1 数据收集的准备

实际操作中，数据的收集可能涉及多家供应商和文献、报告、数据库等，因此需做好数据收集前的准备工作。在数据收集之前最好制定数据收集表，按照数据收集表对各个单元过程的输入、输出数据进行收集，不仅可以节约时间，而且使得数据收集更具有条理性。数据收集过程中，应遵循数据质量要求。

4.2.2.2 数据收集

对于数据收集，通常的做法是根据所确定的研究范围、系统边界，将产品系统分为若干个具有不同功能的单元过程。然后根据各个单元过程本身的特点从资源、能源消耗方面进行相关数据收集，在各个生产单元过程中需要不同的能源如电力、蒸汽等，而这些能源的生产是温室气体的主要排放源。

(1)数据类型

碳足迹计算所需数据可以分为两类:活动水平数据和排放因子。活动水平数据是指产品生命周期中涉及到的所有材料和能源消耗数量，又分为初级活动水平数据和次级数据。

a.初级活动水平数据是指针对具体产品生命周期由内部管理人员或供应链中别人所做的直接测量数据，即企业提供的数据。例如，制浆、造纸过程中消耗的电力、蒸汽数量都属于初级活动水平数据。

b.次级数据是指不针对具体产品的外部测量，但是一种对同类过程或材料的平均或通用测量。无法获得初级活动水平数据或初级活动水平数据有问题时，有必要使用直接测量以外其他来源的次级数据。数据库中的数据、文献数据以及非报告性数据都属于次级数据。

c.排放因子是一种联系，可将活动水平数据转换成温室气体排放量:“单位”活动水平数据排放的温室气体数量。如IPCC推荐的能源工业中无烟煤的CO2、CH4、N2O的排放因子分别为 98300 kg/TJ、1 kg/TJ和1.5 kg/TJ，即无烟煤燃烧产热，每生产1 TJ热量，CO2、CH4和N2O的排放量分别为98300 kg、1 kg 和 1.5 kg［16］。

(2)数据质量要求

完整性:包括对一个产品生命周期排放提供“实质性”贡献的所有GHG排放和存储。

准确性:尽可能地减少误差和不确定性。

一致性:在GHG相关信息中能够进行有意义的比较。

4.2.2.3 数据的取舍及分配

(1)数据的取舍

对于系统边界规定的范围内，在每个生产工艺中，单一排放源占排放总量不足1%的，在生产过程中产生的碳排放不予考虑。但是非实质性排放源(碳排放小于该产品生命周期总碳排放1%的排放源)的比例不得超过总排放的5%［17］。

(2)数据的分配

实际生产中，只使用单一原材料或只产出单一产品的工业过程极为少见。在LCA研究中，当一种生产工艺过程产出多种产品时，必须根据某一分配参数把物流、能流和环境排放等合理地分配到各个产品中，尽可能客观反映系统的环境行为。分配参数可以采用产品的质量、体积、能量等物理参数。纸产品生产中涉及分配时建议采用如下的分配方法:

a.在纸产品生产过程中，蒸汽、电力等的分配依据产品质量进行分配;制浆、造纸等单元过程在消耗能源的同时，对能源生产过程中所排放的污染物的分配，根据各单元过程的能源消耗量进行分配。

b.企业废水处理过程的数据应当包含在碳足迹评价的生命周期范围内，废水处理过程中不同来源废水的污染负荷根据废水量及污染物浓度进行分配;如果企业的生产现场没有废水处理设施，应当从相关污水处理站获取相关数据，获取的相关数据应当依据废水处理成本进行分配。

c.如果企业的原材料存在多家供应商，则应收集供应商的相关数据，并按照实际使用比率进行分配。

4.2.3 碳足迹计算

4.2.3.1 森林固碳量的计算

将森林碳存储量变化的年平均值定义为森林固碳量，用公式 (1)表示。

式中，S为森林固碳量，t;C2为第二年的森林碳存储量，t;C1为第一年的森林碳存储量，t。

只有后一年的森林碳存储量大于前一年森林碳存储量时，即S＞0时，森林才有固碳效益。将砍伐的木材看做森林输出的“产品”，根据年平均砍伐量计算得到每立方米木材对应的森林固碳量［18］。

4.2.3.2 产品碳存储量的计算

这里述及的纸产品的碳存储量是指在设定的评价期内，纸产品使用以及填埋不能立即分解产生的延迟排放量。因使用产生的延迟排放 (纸产品的碳存储量)，其加权系数可用公式 (2)计算［19］。

式中，t0为纸产品的寿命，即纸产品产生后到最终处置的时间，单位为年 (a)。

例如，某批纸产品 (假设1 t)，经过2年的时间(包括在生产商仓库的存放、超市的存放以及销售至消费者和消费者使用的时间)进入垃圾处理站进行处理。根据IPCC推荐的纸和纸板的碳含量为46%，纸产品的水分含量为7%，则延迟排放的加权系数为:

则延迟排放量，即该纸产品的碳存储量为1000× (1－0.07) ×0.46× (1－0.9848) ×44/12=23.84(kg CO2)。

纸产品的最终处置大致分为3种方式:回收利用、焚烧和填埋。在填埋场，废纸与其他生活垃圾不能立即分解，而是发生了复杂的生化反应。因此，在给定的评价期内，部分未分解的废纸中的碳仍储存在废纸中，即因填埋产生的延迟排放。该部分延迟排放量可通过未降解的碳与CO2-C(44/12)转化系数计算得到。仍以上例为例，1 t纸产品，含水量7%，碳含量46%，可降解有机碳44%。在设定的评价期内，填埋后可降解有机碳中60%发生降解，则因填埋产生的延迟排放量为:

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

4.2.3.3 碳排放的计算［19］

纸产品的碳足迹计算具体细化为以下几步:

(1)应用活动水平数据乘以该活动的排放因子(每单位的GHG排放量)，将初级活动水平数据和次级数据换算为GHG排放量，基本公式见公式 (3)所示。

(2)应用具体GHG排放值乘以相应的GWP值，将GHG数据换算为CO2当量的排放。

(3)与产品有关的碳存储的影响应以CO2当量表示，产品储存的CO2的量可以从上述步骤 (2)计算出的总量中扣除，也可以单独报告。

(4)各计算结果应相加以获得每个功能单位的按CO2当量表示的GHG排放量。

4.2.4 不确定性分析 (可选项)

不确定性分析是用来判定与量化由于输入的不确定性和数据变动的积累给结果带来的不确定性的系统化程序。这一步骤的目的是衡量碳足迹结果中的不确定性并使其最小化，提高碳足迹比较结果的可信度，以及提高基于碳足迹的决策水平。

推荐的不确定性的计算方法是对建立的碳足迹的评价方法进行一次蒙特卡洛分析。有很多可用于进行蒙特卡洛分析的软件包。另外，一些LCA包也整合了蒙特卡洛功能。一旦发现了不确定性的来源，则通常可遵循以下方法减少不确定性的源头:用质量好的初级活动水平数据代替次级数据，并非初级数据的不确定性总是低于次级数据，但是对于某个特定过程或排放源，用不确定评估来判定采用初级活动水平数据还是次级数据是一种很好的判定方法;采用质量更好的次级数据，即更有针对性的、更接近的或更完整的数据;改进用于计算碳足迹的方法，使之更具有代表性。

4.3 结果解释 (第三步)

结果解释即对上述纸产品生产全生命周期各单元过程的碳足迹进行分析，得出结论，挖掘碳减排的潜力。通过与其他供应商沟通、协商，针对存在减排潜力的环节，通过加强管理、改进工艺等方法达到减排的目的。

5 总结与展望

5.1 总结

本文结合生命周期评价 (LCA)方法与我国纸产品生产现状，提出了一套适合我国纸产品碳足迹评价的方法，研究的范围从原材料种植与采伐开始，直至纸产品使用完毕后的最终处置，涵盖了纸产品从原材料生产到废弃处置的全生命周期。

5.2 展望

整体而言，纸产品碳足迹评价的研究与应用在我国才刚刚起步。目前，纸产品碳足迹评价研究也仅有金东纸业对其企业碳足迹评价一例，并且是委托英国碳基金公司 (Carbon Trust)完成的。因此，纸产品的碳足迹评价研究无论是从理论方法方面，还是从其应用方面都有待加强。纸产品生产产业链较长，涉及林业、农业、化学、交通、能源、环境等，尤其是在森林碳存储量变化的计算方面，目前还没有成熟的方法供采用。另外，在我国，废纸的管理也不够完善，给最终处置阶段的碳排放核算带来了一定的困难。因此，接下来的工作一方面需要将国际上相对成熟的方法引入我国造纸行业，并与我国造纸行业的特点相结合，建立完善的纸产品碳足迹评价管理体系;另一方面，在纸产品碳足迹评价管理体系的建立过程中，不断将其应用于具体纸产品的碳足迹评价中，根据发现的问题总结解决方案，进而促进纸产品碳足迹评价体系的成熟、完善。

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［12］ GB/T24040—1999环境管理生命周期评价原则与框架［S］．