废弃手机回收处理系统生命周期能耗与碳足迹分析

宋小龙,李 博,吕 彬,陈 钦,白建峰(1.上海第二工业大学电子废弃物研究中心,上海 201209；2.上海电子废弃物资源化协同创新中心,上海 201209；.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085)

废弃手机回收处理系统生命周期能耗与碳足迹分析

宋小龙1,2*,李 博3,吕 彬3,陈 钦1,2,白建峰1,2(1.上海第二工业大学电子废弃物研究中心,上海 201209；2.上海电子废弃物资源化协同创新中心,上海 201209；3.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085)

以废弃手机为研究对象,采用生命周期评价方法分析了当前我国废弃手机回收处理系统的能耗和碳足迹.研究结果表明,废弃手机回收处理全生命周期能耗与碳足迹分别为-1069.86MJ和-60.38kgCO2eq.再生材料产出是废弃手机回收处理生命周期能耗和碳足迹最主要的贡献来源,其对能耗和碳足迹的贡献分别为 88.3%和 96.8%.敏感性分析显示,提高互联网在线回收平台的日回收量及拆解部件和元器件的再使用比例,可有效降低废弃手机回收处理系统的生命周期能耗和碳足迹.

电子废弃物；废弃手机；生命周期评价；碳足迹

受手机更新换代快、平均寿命期短、用户数量大等因素影响,废弃手机已成为产生数量最多的一类电子废弃物[1].作为全球最大的手机生产地和消费国,我国废弃手机的年产生量高达 7.99亿部[2-3].废弃手机含有丰富的可再生材料和多种有毒有害物质,兼具资源化价值与环境危害性,对其进行回收处理,可避免资源浪费和环境污染.由于废弃手机回收价格低、占用空间小、个人信息多,约 47.1%的消费者选择将其闲置在家[4],这导致大量废弃手机未能得到妥善处理[5].据估算,2015年我国废弃手机回收量约为2亿部[6],与产生量还相去甚远.另外,废弃手机规模化的拆解处理能力尚未形成,“非正规军”从事的不规范拆解处理活动所带来的环境影响与健康风险不容忽视[7-8].

产业生态学方法正逐渐被引入电子废弃物管理的研究与实践中[9].作为重要的系统分析工具,生命周期评价(LCA)除可对产品生命周期潜在的环境影响进行评估,也常用于电子废弃物的管理决策.通过对生命周期环境影响进行评价,有研究利用LCA对电子废弃物资源化方案进行对比和筛选,涉及废CRT显示器[10-11]、废液晶显示器[12]及电子废弃物中废塑料[13]等.此外,采用LCA方法还可评估电子废弃物资源化活动的生命周期环境效益,特别是碳减排效益[14-16].围绕手机及其废弃后的环境绩效,Yu等[17]采用LCA方法对手机生命周期能耗进行了分析,指出在手机废弃后开展再使用和再生利用,可有效降低全生命周期环境影响;Navazo等[18]对废弃手机回收处理最佳可行技术进行了探讨,定量分析了材料回收过程中的物质流和能量流,为开展生命周期评价和资源效率分析提供了数据基础.

总体来看,目前针对电子废弃物的生命周期研究大多是面向发达国家成熟的回收处理系统开展的.相比之下,我国电子废弃物回收处理行业起步较晚,还处在正规与非正规部门并存[19-20]的发展初期,特别是有关废弃手机等新型电子废弃物的生命周期分析和定量化研究还不足,当前废弃手机回收处理系统的环境绩效和可持续发展水平也不清楚.本研究将关注我国废弃手机回收处理系统的整体格局,选取典型企业和主流工艺开展生命周期评价,识别关键过程,并对参数设定进行敏感性分析,可为废弃手机回收处理系统环境绩效的量化与改进提供参考.

1 研究方法与数据获取

1.1 评估方法

以废弃手机为研究对象,围绕其回收处理全过程开展生命周期评价.基于数据可获得性,重点关注生命周期能耗和碳足迹两类环境影响.生命周期能耗和碳足迹分别采用一次能源需求(PED)和全球变暖潜值(GWP)来表征,单位分别为 MJ和kgCO2eq.其中,碳足迹的核算采用IPCC第五次评估报告中有关 GWP 100a的当量因子：即CH4、N2O和CO2分别为28、265和1[21].

1.2 产品系统

1.2.1 废弃手机生命周期 电子废弃物回收处理过程是一类特殊的产品系统.电子废弃物从报废开始进入回收处理系统,经过收集、运输、拆解、分选、再生等一系列流程,最终以零部件再使用、再生材料产出或填埋、焚烧等形式离开系统.在本研究中,废弃手机的生命周期覆盖从收集到最终处置的全过程,但在收集和再使用两个环节与其他电子废弃物有所不同.

目前,我国废弃手机收集以传统渠道回收和互联网在线回收两种形式同时存在.其中,传统渠道回收主要包括以旧换新、维修商、售后服务中心、回收商贩等形式;互联网在线回收是基于互联网技术和手机APP等开展废弃手机等电子废弃物的收集,通过线上交投和线下统一物流上门取件(或邮寄)的形式回收废弃手机.

废弃手机及其拆解后的部件和元器件大多具有再使用的潜力,这一点与其他电子废弃物也存在差异.手机产品更新换代快,消费者的消费行为也受此影响.因此,部分废弃手机在报废时仍保留有完整的使用功能,可以直接整机再使用或经简单修复后进行再使用.此外,废弃手机拆解后的零部件如振动器、受话器、送话器、摄像头以及各类芯片的通用性较高,经过拆解分类后也可用于部件再使用[22].

1.2.2 废弃手机综合模型 手机种类和类型较多,并且随着功能的不断扩展,其整体结构和零部件也有显著变化.根据手机外形与结构差异,大致可分为小屏直板机、翻盖机、滑盖机和大屏机四大类.其中前三类的屏幕尺寸一般小于 2.5英寸,大屏机多为屏幕尺寸大于2.5英寸的智能机.

为开展废弃手机回收处理系统的生命周期分析,本研究基于市场调查和典型回收企业调研,并结合拆解实验分析,建立了综合的废弃手机模型,以反映当前废弃手机在类型、重量、部件组成等方面的平均状况(表1).通过获取不同类型废弃手机的市场占比、平均重量和拆解部件占比等数据,加权平均得到废弃手机的单一综合模型：整机重量 113.4g,其中,外壳 35.69g,电路板 20.74g,锂电池 26.8g,液晶屏 8.66g,金属件 11.87g,其他9.64g.

表1 废弃手机综合模型参数设定Table 1 Specifications of integrated waste mobile phone

1.3 范围确定

1.3.1 功能单位 本研究中的废弃手机含手机主体和锂电池,不包括充电器、数据线、耳机等配件.在进行生命周期能耗和碳足迹分析时,功能单位确定为回收处理100部废弃手机.

1.3.2 系统边界 系统边界覆盖废弃手机从回收到最终处置的全过程.具体来讲,包括传统渠道回收与转运、互联网在线回收与统一物流运输、预分选、拆解、外壳破碎分选、电路板元器件脱除、电路板基板破碎分选、金属材料再生、非金属材料再生与处置、锂电池处理、液晶屏处置以及其他部件处理等单元过程(图1),按生命周期阶段可划分为回收(包括收集和运输)、拆解、再生利用和末端处置4个主要环节.

在废弃手机回收处理过程中,以电力为主的能源消耗和材料再生工艺中的辅助原料消耗是核算生命周期碳足迹的重要组成部分.因此,研究中将原材料生产和能源生产等作为背景过程纳入到研究系统内.至于再生材料产出和元器件(部件)再使用,则采用环境负荷替代法,核算其避免的由相应原生材料和新品元器件(部件)生产引起的能源消耗与碳排放.

图1 废弃手机回收处理系统边界Fig.1 System boundary of waste mobile phone treatment

1.3.3 关键假设 本研究只考虑来自消费端且进入回收处理系统的废弃手机,不包括生产过程中的手机残次品,也不考虑经简单修复后可直接整机再使用的废旧手机.

按照目前我国电子废弃物拆解处理企业的分布现状,本研究未考虑废弃手机跨区域转移和长距离运输的可能,假定回收的废弃手机在当地进行拆解处理和处置.在回收处理过程中,手机主体和锂电池由于后续处理方式的不同,在分选过程中存在部分不同流向的情况,会导致运输距离的不一致,由于此分流比例难以确定,本研究未将该过程纳入考察范围.

摄像头、振子、听筒、扬声器等拆解部件以及脱除的电路板元器件,经检测合格的部分,可作为再使用件进入其他产品系统.研究中假定这部分元器件和拆解部件功能完好,可替代全新的电子元器件或部件直接使用.

在开展能耗与碳足迹分析时,与大多数生命周期评价研究一样,本研究也未考虑设备、机器、厂房等折旧与维护.

1.4 数据来源

可靠的清单数据是开展生命周期评价的基础.本研究在进行废弃手机回收处理生命周期能耗和碳足迹核算时,采用的数据以实际调研和典型企业生产数据为主.对于部分难以获取一手数据的单元过程,以及电力生产、卡车运输等背景数据.采用了公开发表文献、PE-database和ecoinvent 3等商业数据库中的基础数据.关键过程具体数据来源及参数见表2.

废弃手机传统渠道回收和互联网在线回收,分别来自实地调查和企业调研.根据对广东某回收企业废弃手机回收来源和回收量的分析,结合行业调查,将传统渠道回收(维修点、商场以旧换新、回收商贩)和互联网在线回收的比例分别设定为85%和15%;废弃手机拆解、破碎分选、电路板金属再生等单元过程数据来自几家典型拆解处理企业的实际生产数据;对于拆解部件和元器件的再使用潜力,根据企业调研,可再使用件的占比为 80%;破碎分选后的电路板非金属粉末,一方面可以用于生产复合材料等,另一方面由于市场需求量小,大部分仍然采用填埋方式进行处置,这两部分清单数据分别选用的是文献数据和数据库数据.此外,由于目前国内缺乏实际运行中的手机锂电池和液晶屏处理处置设施可供调研,清单数据难以获取,本研究采用的是生命周期评价软件中的数据库数据.与此同时,选用数据库背景数据的单元过程还包括：可再使用件的替代生产过程、塑料再生、金属部件再生、电力生产和卡车运输等.

表2 关键过程数据来源及参数取值Table 2 The data sources and values of key processes

在清单数据收集过程中,本研究尽可能获取多种不同来源的原始数据,并优先采用来自调查和企业的实际生产数据,难以获得的数据则采用文献数据或商业数据库背景数据.对于同一组数据如果有多种来源,则对其进行交叉验证,力求反映当前废弃手机回收处理的平均水平,确保研究结果的可靠性.

2 结果与分析

2.1 生命周期能耗与碳足迹

生命周期评价结果显示,废弃手机回收处理生命周期能源消耗与碳足迹分别为-1069.86MJ和-60.38kgCO2eq(图 2,图 3).能耗与碳足迹的负值代表废弃手机回收处理系统具有正向的环境效益,主要来自可再使用件和再生材料产出的贡献.废弃手机回收、拆解、再生利用以及末端处置,由于存在电力、柴油、辅助材料等的消耗,其生命周期能耗和碳排放均为正值.这 4个阶段的能耗值和碳排放量依次分别为 65.19MJ, 331.77MJ,116.20MJ,1.84MJ和 5.51kgCO2eq, 28.16kgCO2eq,6.60kgCO2eq,0.11kgCO2eq.

图2 废弃手机回收处理生命周期能耗Fig.2 Life cycle energy use of waste mobile phone treatment

图3 废弃手机回收处理碳足迹Fig.3 Carbon footprint of waste mobile phone treatment

废弃手机拆解部件及元器件的再使用,可在其他产品系统中替代相应新件的制造,因此具有明显的环境效益.研究结果显示,100部废弃手机中可再使用的拆解部件和元器件,可避免的能源消耗和碳排放量分别为 639.79MJ和 42.29kgCO2eq.相应地,其他不可再使用拆解部件中蕴含丰富的可再生材料,也有效降低了废弃手机回收处理系统的生命周期能耗和碳足迹.具体来看,稀贵金属(主要为金、银、钯)、铜/铝、铁、塑料/橡胶等再生材料的能耗值和碳排放量依次分别为-210.37MJ,-439.70MJ,-24.90MJ,-270.10MJ和-19.74kgCO2eq,-27.20kgCO2eq,-2.53kgCO2eq, -9.00kgCO2eq.

2.2 不同生命周期阶段贡献分析

将废弃手机回收处理系统分为回收、拆解、再生利用和末端处置4个主要阶段,同时把可再使用件和再生材料分别作为单独过程进行生命周期能耗和碳足迹的贡献分析.结果表明,在能耗和碳排放两方面,各生命周期阶段的贡献比例情况基本吻合(图 4).可再使用件和再生材料产出对生命周期能耗的贡献分别为 59.8%和88.3%;对碳足迹的贡献分别为 70.0%和 96.8%,均为主要的贡献来源.至于回收、拆解、再生利用和末端处置4个阶段,由于其引起正向的能源消耗和碳排放,故对全生命周期的能耗和碳足迹的贡献均为负值,分别依次为-6.1%,-31.0%, -10.8%,-0.2%和-9.1%,-46.6%,-10.9%,-0.2%.拆解阶段的能耗值和碳排放量较大,对生命周期能耗和碳足迹的逆向贡献较显著.拆解阶段的能耗和碳排放主要来自电路板元器件脱除工序.为实现电路板元器件与基板的分离,电路板在负压下通过热风加热,使电路板上的焊锡处于熔融状态,电路板随后经过震动筛实现电子元器件从基板上分离.这一过程的电力消耗大,造成总能耗和间接碳排放量大.

图4 不同生命周期阶段对能耗与碳足迹的贡献Fig.4 The contributions of each life cycle stages to energy use and carbon footprint

不论是能耗还是碳足迹,再生材料产出都是贡献最大的生命周期阶段.图 5进一步分析了不同再生材料产出对再生材料总体能耗和碳足迹的具体贡献情况.在生命周期能耗方面,不同再生材料贡献占比从高到低依次是铜/铝(46.5%)、塑料/橡胶(28.6%)、稀贵金属(22.3%)、铁(2.6%);至于碳足迹,再生材料贡献占比从高到低依次是铜/铝(46.5%)、稀贵金属(33.8%)、塑料/橡胶(15.4%)、铁(4.3%).再生铜和再生铝两类有色金属是所有再生材料中最主要的贡献因子.

图5 再生材料产出对能耗与碳足迹的贡献Fig.5 The contributions of recycled materials to energy use and carbon footprint

2.3 关键参数敏感性分析

为深入分析关键因素对生命周期能耗和碳足迹分析结果的影响,结合前文范围确定中的参数设定,分别选取废弃手机互联网在线回收占比、互联网回收平台日回收量、可再使用件占比开展单因素敏感性分析.

互联网在线回收模式主要依靠服务器、电脑、交易平台等软硬件提供废弃手机交投信息的整合与处理,这与传统回收渠道有显著差异.设定互联网在线回收占比从0增长至90%(即传统渠道回收占比相应从100%降至10%),结果显示能耗值和碳排放量均呈现上升趋势(图 6).其中,生命周期能耗从-1134.05MJ增长至-748.94MJ;碳排放量从-65.82kgCO2eq增长至-33.15kgCO2eq,增长率分别为34.0%和49.6%.这表明,现阶段互联网在线回收模式尚处于培育期,消费者的认知和接受程度不足,表现为选择互联网平台交投废弃手机的用户较少,而互联网平台运行所依赖的软硬件,其能源消耗是相对固定的(主要取决于服务器和客服电脑的开机运行时间).在这种情况下,由于互联网回收平台总体回收量不足,回收效率低,从而导致其相对于传统回收渠道在能耗和碳排放上均表现较差,这一趋势随互联网在线回收占比的提高而不断增长.

图6 互联网在线回收占比的敏感性分析Fig.6 Variation in energy use and GHG emissions with the proportion of website-based collection

分析互联网回收平台日回收量的变化可以探讨互联网在线回收模式环境绩效的变化.假定互联网回收平台日回收量从 100部增长至 700部,结果显示,生命周期能耗和碳排放量分别从-1069.87MJ 和 -60.38kgCO2eq 下 降 至-1124.95MJ和-65.05kgCO2eq(图7).特别是在日回收量从100部增长至400部时,能耗和碳排放量降幅明显,分别达到 4.5%和 6.8%;而由 400部继续增长至 700部时,能耗和碳排放量降幅分别仅为 0.6%和 0.9%.可见,互联网在线回收模式的环境绩效受日回收量影响显著,只有在达到一定的回收量规模后,互联网在线回收在能耗和碳排放方面才表现出相应的优势.

拆解部件和元器件的高再使用率是废弃手机区别于其他常规电子废弃物的关键特征之一.对废弃手机拆解企业的调研分析表明,约 80%的拆解部件和元器件可在其他电器电子产品制造中被再使用.设定废弃手机中可再使用件占比从0提高至 80%,生命周期能耗和碳排放量相应分别从-731.71MJ和-49.05kgCO2eq降低到-1069.86MJ和-60.38kgCO2eq(图8).这表明,确保零部件和电路板元器件在拆解及脱除时的完整性,提高再使用率,可有效提高废弃手机回收处理系统在节能和碳减排方面的环境绩效.

图7 互联网回收平台日回收量的敏感性分析Fig.7 Variation in energy use and GHG emissions with daily collection amount of website-based collection platform

图8 可再使用件占比的敏感性分析Fig.8 Variation in energy use and GHG emissions with the proportion of reusable components

2.4 与已有研究结果对比

本研究以 100部废弃手机为对象开展了回收处理系统的生命周期能耗与碳足迹分析.如果换算成单部手机的回收处理过程,能耗与碳足迹分别为-10.69MJ和-0.6kgCO2eq,这与 Frey[24]的研究结果(能耗-7.7MJ,碳排放-0.44kg CO2-eq)相近.本研究与其在能耗值上的差异,原因在于Frey的研究开展较早,其所研究的废弃手机回收系统效率较低,从而导致较高能耗.

另据苹果公司的产品环境报告,iPhone 4回收处理阶段(不包括再生材料产出与再使用环节)的温室气体排放占全生命周期的 1%,为 0.45kgCO2eq[25],与本研究结果0.40kgCO2eq基本吻合.随着iPhone产品升级和结构的复杂化,iPhone 6和iPhone 6S回收处理阶段的碳排放有所增加,分别达到0.95kgCO2eq[26]和0.8kgCO2eq[27].

3 结论

3.1 基于市场调查和企业调研,建立了综合的废弃手机模型,并以 100部废弃手机作为功能单位,评估得到当前废弃手机回收处理系统的生命周期能耗与碳足迹分别为-1069.86MJ和-60.38kgCO2eq,表明废弃手机回收处理系统具有较显著的节能与碳减排效益.

3.2 可再使用件和再生材料的产出是废弃手机回收处理生命周期能耗和碳足迹最主要的贡献来源.其中,再生材料产出对能耗和碳足迹的贡献分别占 88.3%和 96.8%.在不同再生材料中,再生铜与再生铝两类有色金属产出所避免的能耗值与碳排放量最大,超过稀贵金属的贡献值.

3.3 关键参数敏感性分析表明,提高互联网在线回收平台的日回收量及拆解部件与元器件的再使用率,可有效降低废弃手机回收处理系统的生命周期能耗和碳足迹.在现阶段互联网在线回收模式尚不成熟的情况下,提高互联网在线回收占比会引起生命周期能耗和碳足迹的升高.作为新兴的电子废弃物回收模式,互联网在线回收一方面有赖于政策支持;另一方面也可与“以旧换新”、积分兑换等形式结合,引导消费者积极参与,最终通过提高回收量和回收效率来改进整体环境绩效.

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Life cycle energy use and carbon footprint of waste mobile phone treatment system

SONG Xiao-long1,2*, LI Bo3, LVBin3, CHEN Qin1,2, BAI Jian-feng1,2(1.E-waste Research Center of Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China；2.Shanghai Collaborative Innovation Center for E-waste Recycling, Shanghai 201209, China；3.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2393～2400

A life cycle assessment is carried out to estimate the energy use and carbon footprint of waste mobile phone treatment system in China. The results showed that the energy use and GHG emissions of waste mobile phone treatment are -1069.86MJ and -60.38kgCO2eq. The recycled material is the main source of life cycle energy use and carbon footprint, with the contribution proportion of 88.3% and 96.8%, respectively. A quantitative analysis is also conducted to assess the influence of website-based collection efficiency and the reuse rate of disassembled components.

e-waste；waste mobile phone；life cycle assessment；carbon footprint

X327,X705

A

1000-6923(2017)06-2393-08

宋小龙(1986-),男,安徽安庆人,副研究员,博士,主要从事产业生态学和环境管理学等领域研究.发表论文20余篇.

2016-10-10

上海市教委科研创新项目(15ZZ102);国家自然科学基金青年科学基金项目(41501598);上海高校知识服务平台(ZF1224)协同开发基金

* 责任作者, 副研究员, songxiaolong@sspu.edu.cn