包装用免胶型瓦楞纸箱的碳排放比较分析

陈丽娇，孙万意，迟晓光，高峰

（1.北京工业大学材料与制造学部，北京 100020；2.北京中创绿发科技有限责任公司，北京 100089）

在碳达峰、碳中和战略目标背景下，包装行业对于绿色低碳包装产品的需求日益增长，并且也逐渐成为包装企业实现产品绿色低碳转型关注的重点。2021年，中国快递总量达到1 084 亿件，其中纸质包装占1/2 以上，瓦楞纸作为一种纸质快递包装更是发展迅速[1-2]。据中国造纸协会统计，2021 年瓦楞纸板的生产量达到5 500 万t 以上，较2020 年增长14.96%，其中，瓦楞原纸和箱纸板的生产量分别占总生产量的22.18%和23.17%，成为占比最多的两大类产品[3]。

根据中国包装联合会统计，瓦楞纸箱是中国纸包装产品中应用最为广泛的产品。2020 年瓦楞纸箱产量达到3 170.84 万t，而且仍将随着物流快递业的发展而增长。

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是评价碳足迹的基础方法，在造纸行业得到了广泛的应用。MASTERNAK-JANUS 等[4]利用生命周期评价对原生木浆和废纸浆2 种造纸系统进行了分析，比较了2种纸浆生产对气候变化、人类健康、生态系统和化石燃料消耗的影响。SILVA 等[5]对生产巴西胶板印刷纸的森林系统和工业生产系统从能源消耗、潜在环境影响和土地利用3 个方面进行了生命周期评价，研究发现工业生产系统能源消耗占比91%，制浆和漂白阶段对环境影响较大。DIAS 等[6]采用生命周期评价方法对葡萄牙采用蓝桉生产的印刷书写纸生产过程中的能源消耗以及CO2、SO2和COD 等排放物进行清单分析，表明通过提高废纸回收率可有效降低生命周期各阶段的碳排放。葛振香[7]通过扩展制浆造纸生产系统边界，完善了国内外的三废处理和废纸运输系统，对新闻纸生产进行了生命周期评价，结果表明全球变暖是最主要的环境问题。陈莎等[8]分析了2010 年和2015 年中国纸产品的生命周期碳排放，研究边界从林木种植到废物处置，结果显示，制浆造纸阶段碳排放量最高，高达86.33%。在实证研究方面，张欢[9]采用生命周期评价方法计算了某麦草造纸企业的碳足迹及碳汇率，发现该企业的麦草造纸生产线不符合低碳造纸要求。通过对纸产品生命周期评价的文献调研发现，纸制品LCA研究的系统边界一般更关注制浆、造纸的生产过程，且研究边界的不一致导致无法对同类型的产品进行碳足迹比较。另外，现有案例对于纸质包装产品全生命周期碳排放的研究较少。因此，本研究基于广东某著名包装企业的调研，采用生命周期评价方法对普通瓦楞纸箱和免胶型瓦楞纸箱开展碳足迹分析，辨识瓦楞纸箱产品生命周期阶段碳排放贡献，为包装行业低碳产品设计开发及相关标准规范的制定提供方法和数据支持。

1 研究方法

1.1 研究边界

2 种瓦楞纸箱产品的系统边界包括原材料生产阶段、瓦楞纸箱生产阶段、使用和废物处置阶段，如图1所示。功能单位定义为4 000 个最大综合尺寸为794 mm，内置物最大质量为10 kg 的普通型和免胶型瓦楞纸箱产品。

图1 瓦楞纸箱产品碳足迹核算边界

瓦楞纸箱生产阶段包括制浆造纸、纸箱生产、废物处置。具体核算边界如表1 所示。研究设置不同原材料、不同产品、不同废物处置方式等多种情景进行分析，如表2 所示。

表1 瓦楞纸箱生产核算边界

表2 情景设置

1.2 碳排放计算方法和数据来源

1.2.1 瓦楞纸箱生产的碳排放计算

制浆造纸所用原料的废纸回收主要涉及运输，其排放计入废物处置阶段，原木采运数据参考周媛等[10]的研究成果，制浆造纸过程所用辅料施胶剂、助留剂等数据均来自Ecoinvent 数据库。

纸箱生产阶段主要能耗为设备运行消耗电力、自产蒸汽造成的煤炭消耗。该阶段能源消耗数据以及辅料消耗数据来自广东某绿色包装产品制造企业；能源生产数据来源于北京工业大学工业大数据应用技术国家工程实验室数据库；玉米淀粉、硼砂、NaOH、水性油墨、丙烯、石脑油等辅料生产的碳排放数据来源于Ecoinvent 数据库。免胶型瓦楞纸箱使用过程不再涉及其他物质消耗，普通型瓦楞纸箱生产过程中涉及胶带的消耗，因此需要考虑胶带生产的环境影响。本文根据实际情况设定，1 功能单位的普通型瓦楞纸箱在使用过程中需要消耗11 kg 聚丙烯胶带，胶带生产数据来自AN 等[11]的研究数据。

辅料生产碳当量排放计算公式如下：

式中：C为辅料生产碳足迹结果的数值；Ci为第i种辅料对全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）的参数；Qi为第i种辅料排放量或消耗量的数值；CFi为第i种物质对GWP 影响的特征化因子。

1.2.2 废弃处置情景的碳排放计算

废纸回收采用人工对废纸进行初步集中，然后运输至造纸厂，再通过传送带运至分拣区域，分拣后的废纸被打包储存，用于废纸制浆生产，主要为柴油和电力的消耗。由于各废纸回收厂机械化程度不同，主要能耗为叉车柴油的消耗（1 L 柴油/t 废纸）、各类电耗（20 kW·h/t 废纸）[12]；其次废纸运输阶段采用公路运输造成的柴油消耗，废纸运输距离为废纸来源地与纸及纸板主要生产地省会间的实际平均距离（280 km），该过程能耗碳排放核算基于IPCC 碳排放系数法，核算公式如下：

填埋主要释放CH4与CO2，只考虑废纸填埋的温室气体排放，核算公式[13]如下：

式中：W为废纸填埋量的数值，单位t；XDOC为废纸中可分解有机碳的比例的数值，单位%；XDOCf为废纸中可分解有机碳的比例的数值，单位%；YMCF为有氧分解的CH4修正因子，单位%；F为填埋气体中CH4比例的数值，单位%；16/12 为CH4与C 的分子量比率；44/12 为CO2与C 的分子量比率。

废旧纸箱随生活垃圾进行焚烧发电是资源循环利用的重要措施之一[14]。焚烧设定为完全燃烧，释放的气体主要为CO2。其中普通瓦楞纸箱在焚烧过程中不仅要考虑到废纸焚烧的碳排放，还需考虑到使用后胶条的焚烧。

免胶型瓦楞纸箱焚烧发电碳排放核算公式[13]如下：

普通瓦楞纸箱焚烧发电碳排放核算公式如下：

式中：W纸、W胶分别为以上2 种纸箱焚烧量的数值，单位kg；ACF为含碳量的数值，单位%；BFCF为化石碳比例的数值，单位%；EOF为氧化因子的数值，单位%；D为焚烧发电量的数值，单位kW·h；为中国火力发电生产单位电碳排放的数值，单位kg/（kW·h）。

1.2.3 数据清单

基于广东某绿色包装产品制造企业及上游原料供应商的调研，采用上文中的碳排放计算方法，获得基准情景下功能单位产品数据输入输出清单，如表3 所示。

表3 基准情景输入输出清单

2 结果分析

2.1 瓦楞纸箱产品碳足迹分析

废纸浆免胶型纸箱（基准情景）、原木浆免胶型纸箱（情景1）、废纸浆普通型纸箱（情景2）的废弃处置情景相同，功能单位下3 种产品生命周期各阶段碳排放结果和温室气体构成情况如图2 和图3 所示。

图2 纸箱产品生产各阶段碳排放

图3 温室气体构成

相同废弃物处置情景下，废纸浆免胶型纸箱的碳排放为1 305.43 kgCO2eq，废物处置阶段碳排放最高为1 068.88 kgCO2eq，占该情景碳排放的81.88%，其次为制浆造纸阶段，碳排放为200.87 kgCO2eq，占比15.39%，纸箱生产阶段碳排放最低，占比2.73%；原木浆免胶型纸箱的碳排放为1 343.15 kgCO2eq，废物处置阶段碳排放最高为1 068.88 kgCO2eq，占该情景碳排放的79.58%，其次为制浆造纸阶段，碳排放为238.60 kgCO2eq，占比14.76%，纸箱生产阶段碳排放最低，占比2.66%；废纸浆普通型纸箱的碳排放为1 382.38 kgCO2eq，废物处置阶段碳排放最高为1 097.27 kgCO2eq，占该情景碳排放的79.38%，其次为制浆造纸阶段，碳排放为200.87 kgCO2eq，占比14.53%，纸箱生产阶段碳排放最低，占比6.09%。3 种情景碳排放最高的阶段均为废物处置阶段，其中碳排放最高的为填埋处置阶段，碳排放为765.60 kgCO2eq；回收处置的碳排放为38.23 kgCO2eq；3 个情景焚烧产生的碳排放不同，主要原因是普通型纸箱焚烧处置时，考虑了胶带燃烧的碳排放，基准情景和情景1 焚烧的碳排放为265.05 kgCO2eq，情景2 焚烧碳排放为293.44 kgCO2eq。

3 种情景碳排放由大到小为：废纸浆普通型纸箱（情景2）＞原木浆免胶型纸箱（情景1）＞废纸浆免胶型纸箱（基准情景）。由于普通型产品在使用过程中需要搭配聚丙烯胶带使用，胶带生产和废弃产生碳排放76.95 kgCO2eq，导致了普通型瓦楞纸箱碳足迹的升高；原木浆在制浆过程中消耗了更多的煤、油和天然气，分别产生碳排放0.50 kgCO2eq、26.84 kgCO2eq、5.71 kgCO2eq，原木浆产品的制浆过程能耗导致其碳排放高于废纸浆产品。

3 种情景的CO2排放分别为711.90 kg、749.50 kg、784.35 kg，分别占各自情景碳排放的54.53%、55.80%、56.74%；CH4的排放分别为21.14 kg、21.14 kg、21.30 kg，分别占各自情景碳排放的45.35%、44.08%、43.15%；N2O 排放较少，分别占各自情景碳排放的0.11%、0.12%、0.11%。

3 种情景最主要的温室气体排放为CO2排放，其中CO2排放最大的均为废弃物处置阶段中的焚烧处置。其次为CH4排放，主要由填埋产生，CH4排放量虽然不大，但其环境影响为CO2的28 倍，导致了其碳排放贡献占比的升高。

2.2 废弃物处置阶段碳排放分析

相同功能单位废纸浆免胶型瓦楞纸箱产品在不同废物处置方式下的碳排放结果如图4 所示，主要温室气体构成如图5 所示。

图4 废物处置阶段碳排放

碳排放最高的为基准情景，碳排放为1 068.88 kgCO2eq，其中回收、焚烧、填埋时碳排放分别为38.23 kgCO2eq、265.05 kgCO2eq、765.60 kgCO2eq。其次为情景4，碳排放为749.41 kgCO2eq，回收、焚烧、填埋时碳排放分别为53.22 kgCO2eq、159.03 kgCO2eq、446.60 kgCO2eq。情景3 的碳排放最低，为658.85 kgCO2eq，回收、焚烧、填埋时碳排放分别为38.23 kgCO2eq、424.08 kgCO2eq、287.10 kgCO2eq。

基准情境下主要的碳排放源为填埋，其次为焚烧。情景3 在提升回收率后，与基准情景相比碳排放下降38%。由于回收比例提高，焚烧和填埋产生的碳排放随处置率下降而减少，但是填埋依旧为主要的碳排放源，占比68%。情景4 与基准情景的回收率相同，提高了焚烧比例，其碳排放较基准情景降低30%，该情景焚烧碳排放最高占比57%，其次为填埋，占比38%。

3 种情景的CO2排放分别为477.08 kg、313.28 kg、527.21 kg，分别占各自情景碳排放的44.63%、47.55%、70.35%；CH4的排放分别为21.12 kg、12.32 kg、7.92 kg，分别占各自情景碳排放的55.33%、52.37%、29.60%；N2O 排放较少，分别占各自情景碳排放的0.04%、0.08%、0.05%。

3 种情景CO2的主要排放源均为焚烧，基准情景、情景3、情景4 的CO2排放分别为265.05 kg、159.03 kg、424.08 kg，其次为填埋产生的CO 2 排放，依次为174.24 kg、101.64 kg、65.34 kg；CH4产生的环境影响在各个情景中也占很大比例，CH4排放主要为填埋阶段。

3 结论

研究在对典型纸箱包装企业调研的基础上，采用生命周期评价方法分析了免胶型瓦楞纸箱的碳排放，得到以下结果。

相同废弃物处置情景下，1功能单位的废纸浆免胶型瓦楞纸箱产品的碳排放最小为1 305.43 kgCO2eq，原木浆免胶型瓦楞纸箱碳排放为1 343.15 kgCO2eq，废纸浆普通型瓦楞纸箱的碳足迹最高，为1 382.38 kgCO2eq。免胶型瓦楞纸箱相比于普通型瓦楞纸箱减少了胶带生产和废弃处置焚烧阶段的碳排放76.95 kgCO2eq。

按照废纸箱51%回收、25%焚烧、24%填埋的基准处置情景，包装用纸箱产品生命周期碳排放主要来自废物处置阶段，其中主要贡献来自焚烧阶段的CO2排放，其次是填埋阶段的CH4排放。提高废纸箱的回收利用率是降低免胶型纸箱产品生命周期碳排放的有效途径，废纸箱回收率提高1.0%约可降低1.9%的碳排放，废纸箱随生活垃圾焚烧用于发电的比例提高1.0%约可降低1.5%的碳排放。