托盘是物流行业最基本的集装单元,可有效提高运输过程的装卸效率,减少货损货差,并降低物流成本,其承载了世界贸易80%的货物。2023年,我国托盘产量约为3.55亿片,市场保有量约为17.5亿片。
木材长期以来一直是托盘的主要制作原料,木质托盘在我国市场占有率稳定在80%左右,在欧美国家市场占有率更是高达90%以上。
当前我国木质托盘的使用以一次性消费为主,由于木质托盘的巨大流通体量,每年因此产生的木材消耗量也十分可观。中国人均林业资源不足,木材进口依赖度大于50%,长距离海运带来额外的成本和环境负荷。
如何优化木质托盘的生产和应用模式,实现木材资源的节约利用,降低木质托盘的环境影响,促进托盘产业的可持续发展,是当前产业面临的一大问题。为此,新型托盘自动化生产工艺和以“循环共用”为特征的托盘使用新模式近年来得到实践和倡导。“循环共用”木托盘通过持续反复利用,明显减少了原材料消耗,延长了托盘生命周期,减少了资源浪费。
当前,托盘“循环共用”企业加速扩大各自托盘池规模,推广带板运输和供应链一体化发展,2023年,我国托盘池总量超过4 000万片,同比增长6.67%。但这一规模在我国托盘总量中仅占2.3%,托盘池的市场化处于起步阶段,其实际成效也缺乏量化的分析。此外,木质托盘的资源消耗和可持续性属性不仅取决于木托盘的生产和使用环节,也与原料制备和产品的终了处理密切关联,评价托盘的新兴加工和使用方式,需要站在产品全生命周期的视角进行综合考虑和评价。
生命周期评价(life cycle assessment,LCA)通过识别和量化所使用的能源、材料和释放到环境中的废弃物等数据,评估产品或生产工艺相关的环境属性。参考GB/T 24040—2008《环境管理 生命周期评价 原则与框架》,LCA包括研究目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释4个互相联系且不断重复的步骤。
LCA的评价面向具体分析对象,结果受原料产地、运输方式、加工工艺、能源供应、报废处置和评估方法影响。通过比较已有的木托盘研究文献,不同地区、不同加工工艺的木托盘的环境影响也不完全相同。
·Anil等研究显示,当只考虑1次使用行程时,托盘制造和运输过程是产生环境影响的主要阶段。
·Weththasinghe等认为,木托盘的生命周期过程中,原材料获取阶段占总环境影响的33%,寿命终了阶段约占30%,使用阶段约占23%。
·刘璐彬等使用eBalance软件评估我国胶合板托盘生产及使用过程产生的环境影响,表明由于运输过程中的柴油消耗,托盘在使用过程中产生的环境影响最大,因此托盘的循环使用和回收维修是改善托盘环境影响的关键。
·安晓玮认为,我国需要建立完善的托盘循环体系才能够更好地实现托盘的可持续发展。
·Gasol等指出若将托盘循环多次利用,可以减少能源和木材消耗,同时能够降低除温室气体外的其他类别的环境影响。
·Carrano等研究指出,旧托盘的运输过程是产生温室气体排放的原因之一,优化供应链管理可以提高运输效率,进一步减少碳排量。
·Niero等认为将木托盘进行回收可以降低约30%环境影响,建立木托盘的生命周期清单数据库可以极大提高木托盘环境评估的效率。
针对我国实木托盘生产和流通模式的特点和发展趋势,南京林业大学栾若桐、丁涛等采用LCA的方法,对实木托盘从原材料开采到产品终了处理的物质能源消耗和环境影响进行分析,为实木托盘产业的可持续性发展提供基础数据参考。
1.1 目 标
本研究采用LCA的方法,对比江浙地区自动化生产线与人工生产线两种生产模式下实木托盘产品的环境影响差异,通过模拟实木托盘循环使用和一次性使用两种使用模式,评估“循环共用”模式的节能、节材和减排效果。
1.2 范 围
对于实木托盘而言,一个完整的产品的LCA包括原料获取、托盘生产、托盘使用和托盘终了处理4个阶段(图1)。托盘使用阶段考虑有两种情况,一种为循环使用,一种为一次性使用。由于我国实木托盘普遍采用北美针叶材为原料,本研究中的森林经营和原木采伐的地理范围为美国太平洋西海岸,采伐后的原木经华盛顿州塔科马港运输至江苏省太仓港,全程约10 708 km。原木制材和锯材干燥加工在港区周边企业完成,锯材干燥工厂与托盘生产工厂的陆地运输距离约为450 km。托盘的使用主要覆盖中国华东地区,为了实现最大的经济效益,采用就近供应的原则,托盘的平均输送范围约为150 km。
根据GB/T 24044—2008《环境管理 生命周期评价 要求与指南》,在分析过程中可以设定一个阈值,并认为低于该阈值的环境影响对研究的总体结论不会造成显著影响,允许被排除在分析之外。在本次研究中,环境影响值小于0.1 pt(pt是常数单位,代表环境影响得分的分值)的过程被排除在外。
1.3 功能单元
功能单元量化了产品的性能特征,是LCA量化分析的单元。承载货物是托盘的主要功能。根据GB/T 37106—2018《托盘单元化物流系统 托盘设计准则》,尺寸为1 200 mm×1 000 mm的平托盘额定载重为1 000 kg,因此确定本研究的功能单元为负载1 000 kg 货物的实木托盘,其主要原料为美国花旗松(Pseudotsuga menziesii),气干密度为540 kg/m3,初始含水率为80%,干燥后含水率为20%,单个托盘的质量为32.5 kg。托盘尺寸规格如图2所示。
1.4 分 配
生产过程中除了所要获得的产品,往往还会产生一些副产品,因而在LCA中需要通过分配将产品系统中的输入和输出量分别划分给所要研究的产品和其他副产品。借鉴已有的林产品LCA研究,本研究选择质量分配法进行分配。
清单分析需要对实木托盘生命周期各阶段的物质、能源消耗以及各种废料的排放进行汇编和量化。清单数据类型分为前景数据和背景数据,前景数据一般由现场调研或计算获得,背景数据是间接获得的数据,通常在Eco-invent、USLCI和ELCD等LCA数据库中查找。Eco-invent数据库主要涵盖了欧洲等世界各国多种产品的单元过程和汇总过程数据集; USLCI数据库包括美国本土主要材料生产、能源生产、运输等过程数据集; ELCD数据库包含欧盟商业协会提供的能源、材料、运输和废物管理等数据。
2.1 数据收集
本研究中,制材、锯材干燥、托盘制造、托盘回收维修等阶段的数据通过对江浙地区多家企业进行现场调研和问卷调查的方式获取,属于前景数据。制材和锯材干燥的数据来源于靖江港和太仓港临港木材加工企业,制材企业锯材年产量约为50万m3,锯材干燥企业的年锯材产量约为10万m3,主要干燥产品为花旗松、辐射松等针叶材产品。托盘生产数据来源于江苏宿迁某托盘生产企业,该企业具有托盘自动化生产线和人工生产线各1条,年产能30万～40万只。托盘使用和托盘终了数据来源于某托盘循环共用服务商浙江嘉兴营运中心。该企业专门从事托盘等单元化物流器具的循环共用,目前已经在国内已设立了42个营运中心与200多个收发站点,其中嘉兴营运中心覆盖华东范围且是该企业在中国最大的营运中心。
森林经营、原木采伐、海洋运输、陆路运输、托盘载货运输、终了处理方式等阶段的数据,以及托盘生产过程中的辅料和能源的上游来源数据通过调取LCA数据库数据获得(表1),属于背景数据。
2.2 数据计算
)原料获取阶段:根据图2各部件的尺寸进行计算可知,1个实木托盘的实际锯材体积为0.052 m3,质量为30.04 kg,生产过程需要的干燥锯材体积为0.059 m3,质量为34.10 kg,相应原木湿材的体积为0.084 m3,质量为72.90 kg。制材厂锯材的出材率约70%,剩余20%分配给木废料,10%分配给粉尘,则原木制材过程产生木废料的质量为14.58 kg,产生粉尘的质量为7.29 kg。湿材的运输距离为10 708 km,干燥材的运输距离为450 km,原料获取阶段的运输量经过计算为795.96 t·km。
据现场统计,制材过程平均需要6台功率37 kW的跑车带锯机工作0.006 h,2台功率15 kW的卧式带锯机工作0.001 h,10台功率12 kW的框锯机工作0.034 h,因此生产1片实木托盘材积的制材过程的电能消耗为5.44 kW·h。干燥过程需要5台功率3 kW的风机运行0.35 h,消耗电能5.25 kW·h。参照Simpson的研究,生产1个实木托盘干燥过程热能的消耗为101.48 MJ,水蒸气消耗量为2.95 kg。
2)托盘生产阶段:托盘生产阶段锯材的利用率为88%,剩余9%分配给木废料,3%分配给粉尘。生产1个实木托盘需要锯材34.10 kg,则托盘生产阶段产生木废料3.07 kg,粉尘1.02 kg。据统计,每片托盘消耗钢钉108根,质量约为2.46 kg,喷涂水性清漆约0.1 L。
托盘的生产线分为自动化生产线和人工生产线两种。近年来,随着托盘行业人工成本持续上涨以及市场对产品供货速度和质量要求的提高,越来越多的企业选择使用自动化生产设备,并不断优化车间设施布局(图3)。根据调研,自动化生产线的装机容量为91.7 kW,生产效率为130～240片/h,调研时企业自动化生产线未全速投入使用,实际生产效率约为145片/h,则自动化生产线的电能消耗为0.63 kW·h/片。人工生产线的设备功率约为47.1 kW,生产效率为110片/h,电能消耗为0.43 kW·h/片。
3)托盘使用阶段:托盘的使用阶段分为两种场景,即循环使用和一次性使用。一个实木托盘的质量约为32.5 kg,当载重1 000 kg货物时,单次运输距离为150 km,计算可知使用一次的运输量为154.88 t·km。托盘循环使用的过程由托盘供应链服务商进行管理,通常1个木制托盘在其生命周期中经历大约20次行程。回收至仓储中心的实木托盘由人工进行分拣和维修,流程如图4所示。根据每年的托盘材料替换率计算,平均每个托盘的维修量约为2.4%,即需要0.72 kg实木锯材。当一次性使用时,除了使用过程中损坏的0.72 kg锯材,剩余的29.32 kg锯材都会被作为木废料回收,当20次使用均为一次性使用时,就会遗弃20张托盘成为木废料,生成586.40 kg木废料。运营中心以自动化生产线伴随人工维修,经调研可知,单个托盘维修消耗的电能为0.18 kW·h,产生的木废料质量为0.72 kg,消耗的废弃的钢钉质量为0.21 kg。当托盘部件存在1/4以上损毁,质量损失约为15%时,托盘做报废处理,不再进行维修。维修过程产生的木废料由第三方进行回收。
4)托盘终了阶段:在实木托盘的终了阶段,对托盘上不同材质部件分别进行燃烧和填埋处理,其中木材用作燃料进行能量回收,钢钉则采取填埋处理。
2.3 输入、输出清单
根据数据计算结果,编制1个功能单元生产过程不同阶段的生命周期清单数据(表2),和不同使用情况下的使用和终了阶段的清单数据(表3)。调研显示生产1片托盘的体积为0.052 m3,需要含水率为20%的锯材原材料0.059 m3(34.10 kg),对应原木湿材的体积为0.084 m3(72.90 kg),原料获取阶段的出材率为70%,托盘生产阶段的锯材利用率约为88%。
西班牙实木托盘生产的研究显示,锯材生产阶段的出材率约为46%,明显低于我国锯材生产阶段的出材率水平; 托盘生产阶段的锯材利用率约为87%,与我国托盘生产阶段的锯材利用率基本相等。我国制材企业的出材率明显高于国外同类企业,这与国内原木加工规模小、分散度高的行业特点密切相关。在这种生产模式下设备的操作以人工为主,由于操作工人的收入与出材率直接挂钩,该模式对提高出材率起到很大激励作用。而北美和欧洲的制材企业普遍规模大、自动化程度高,但在标准化操作模式下,木材的出材率一般被限制在50%左右。
美国木托盘加工行业的原料获取阶段,单个托盘的电能消耗为1.56 kW·h,托盘生产阶段为0.69 kW·h。该研究中托盘消耗的锯材体积为0.035 m3,明显小于我国木托盘的原料体积,且由于国内外能源结构存在差异,国外加工生产的能量主要由天然气提供,因此在原料获取阶段的电能消耗较少。在托盘生产阶段,国内外能源消耗水平相差不大。
根据表3数据,在托盘循环使用模式下,由于回收维修增加了电能和材料的消耗,但由此也极大降低了木材原料的消耗。在终了阶段,一次性使用模式下产生的木废料和废弃钢钉分别为586.40和49.20 kg,而“循环共用”模式下对应的负荷仅是一次性使用模式下的4.4%和5.0%,表明“循环共用”模式在促进托盘产业的木材节约利用方面效果明显。
影响评价是将清单分析阶段的数据通过特征化和归一化处理计算产品生命周期各阶段对环境的影响,并分析各影响因素对环境影响的大小。
3.1 评价方法
本次研究选择ReCiPe 1.04作为评价方法,ReCiPe 1.04评价方法在2008年由荷兰国家公共卫生与环境研究所与奈梅亨拉德堡德大学等机构共同提出,它包含代表全球性水平的归一化因子,使用广泛,被一些木制品相关的LCA研究采用。
ReCiPe评价方法将环境影响分为两个层次:18类中点环境影响和3类终点环境影响,通过将终点环境影响值进行归一化、加权相加后得到1个单一环境影响值。本次研究去除影响贡献较小的指标后,考虑4个中点影响类型,分别为化石资源消耗、气候变化、颗粒物形成和人类毒性; 3个终点类型,分别为人类健康、生态系统和自然资源。在4个中点指标中,化石资源消耗属于自然资源的终点类型; 颗粒物形成、人类毒性属于人类健康终点类型; 气候变化对人类健康和生态系统都有影响,根据ReCiPe评价方法,这两种影响被单独考虑,因此标记为气候变化-人类健康和气候变化-生态系统。
3.2 一次性使用实木托盘的环境影响评价
将实木托盘的生命周期清单数据采用ReCiPe方法进行建模,假定产品由自动生产线生产且一次性使用,海洋运输被统筹考虑在原木采伐过程,陆路运输被统筹考虑在制材与干燥过程,得到表3所示中点环境影响值和图5所示的终点环境影响值。在4个生命周期阶段中,原料获取阶段在各个类别中的环境影响都位列第一,其次是托盘使用和托盘生产阶段,托盘终了阶段的环境影响都为负值,表示产生了有益的结果(表3)。从环境影响终点值看(图5),一个实木托盘的生命周期各阶段按影响从大到小排序同样依次是原料获取(4.55 pt)、托盘使用(2.15 pt)、托盘生产(0.75 pt)、托盘终了(-2.31 pt)。
原料获取阶段占实木托盘环境影响的88.5%,这一阶段包括原木采伐、制材和锯材干燥部分,其中原木采伐的环境影响全部来源于海洋运输,制材和干燥部分的环境影响来源于陆路运输、热能和电能。海洋运输和干燥过程中的热能、电能所产生的环境影响占整个原料获取阶段的比例分别为43.3%,23.7%和31.6%。在以往的研究中,运输过程也被证明是木制品环境影响的一个重要来源,虽然海洋运输在一些环境影响方面比陆地运输具有环境优势,但随着运输距离的增加,其优势将会减弱,花旗松在海运过程中以原木的形式运输,质量大、含水率高,运输距离长,会消耗大量燃料,对环境造成明显影响。
对于一次性使用托盘,使用阶段的环境影响全部由载货运输引起,环境影响占实木托盘总影响的46.64%。托盘生产阶段的环境影响占比为16.27%,主要由钢钉的使用和电能的消耗引起。一个实木托盘的钢钉质量占比为7.57%,但其环境影响达到0.60 pt,在生产阶段中的占比达80%,这与同类研究结果相似。这是由于钢铁在冶炼的过程是一个能量密集型过程,能耗强度约为19.4 GJ/t。根据表2数据,生产34.1 kg花旗松板材的过程总计消耗电能和热能为0.14 GJ,花旗松板材生产过程的能耗强度则仅为4.11 GJ/t。
托盘终了阶段的假定处理方式是焚烧。实木托盘使用终了后通常拆解粉碎用作生物质燃料或板材原料,在我国两者的占比分别为53.4%和33.3%,在本研究中,假定实木托盘回收用作生物质燃料。作为燃料进行终了处理属于废弃物的资源化利用,同时木材的燃烧过程还是一个碳中和的过程,这是由于木材在生长过程中会吸收存储大气中的二氧化碳,在充分燃烧时这些二氧化碳再次被排放至空气中,两者可以相互抵消。燃烧同时能够产生生产所需的热能,减少相应的化石能源消耗,产生有益的环境影响,因而该阶段的影响值为负值(-2.31 pt)。
对比同类研究,实木托盘生命周期各阶段对环境影响的贡献大小受产品原料、工艺等多个因素影响,目前并没有统一的结论。Alanya-Rosenbaum等对美国托盘进行LCA研究后,认为托盘制造和原料获取分列环境影响最大的两个阶段,但该研究未将托盘的使用纳入研究范围。Niero等的研究表明,对于木质托盘产品,原料获取阶段的环境影响最大。但部分欧洲木托盘LCA研究则认为使用阶段的环境影响大于原料获取阶段。在本研究中,木材原产地距离遥远是造成原料获取阶段环境影响居高的主要因素。从美国西海岸到江苏口岸的运输距离全程约10 708 km,如果能够优化木材的来源,采用其他国别或国产材替代,就可以通过降低运输距离减少环境影响。也可以通过改变进口木材的产品形态,以板材替代原木,来减少海运过程的环境影响。这是由于板材尺寸规则,含水率低,因而单位运输能耗和排放都小于原木。但木材来源地替代和木材产品的形态变化不仅会对产品的环境属性产生影响,也会使成本、质量等其他因素发生变化,其可行性需要进行综合性分析论证。
从环境影响类别来看,在原料获取阶段的环境影响中,化石资源消耗占49%、气候变化-人类健康占25%、颗粒物形成占18%(图6)。化石资源消耗主要来源于海洋运输和锯材干燥的热能消耗。海洋运输的柴油消耗量约为0.005 L/(t·km),72.9 kg的原木海洋运输的柴油消耗量约为3.90 L,参考GB 29444—2012《煤炭井工开采单位产品能源消耗限额》,折算成标准煤消耗量约为4.83 kg。干燥企业的热能一般通过电厂外购水蒸气获取,我国的电厂供电多以火力发电为主,2023年,我国火力发电厂发电量占全年的总发电量的70%,江苏的电力结构中火力发电占比同样较高。根据标准煤系数换算可知,生产101.48 MJ热量消耗的标准煤量约为3.47 kg,比较而言二者消耗的标准煤量差别不大,对化石损耗影响的贡献相近,采用清洁能源或缩短木材干燥时间或可以减小由于干燥过程热能消耗带来的环境影响。
气候变化和颗粒物形成也与燃烧过程密切相关。燃料的燃烧都伴随着CO2的排放,发电产生的温室气体排放量可能占木材干燥总排放量的74%～94%。颗粒物的形成是燃料中存在不可燃灰分或燃烧不充分的结果,柴油不完全燃烧和燃料裂解易产生挥发性有机物,并且一些远洋船舶主要用油为重油,重油的密度、黏度和灰分等相对较大,燃烧产生的颗粒态污染物更多。
托盘生产阶段环境影响中化石资源消耗占52%,气候变化-人类健康占比23%,颗粒物形成占比14%,这3种影响的主要来源都是钢钉的使用,如上文所述,钢钉虽然在托盘中质量占比很低,但钢铁冶炼是一个能量密集型过程,需要达到约1 300～1 600 ℃的温度,冶炼过程的热能多是由天然气、石油或煤等化石燃料的燃烧获取,因此产生较大的化石资源消耗影响。
托盘的使用阶段的环境影响主要由载货运输引起,由于一般托盘的载货质量远高于托盘自身的质量,本研究中负载1 000 kg货物约为托盘自身质量的31倍,因此,产生的环境影响值大部分由载货质量引起。当不考虑托盘载重时,托盘使用阶段的环境影响值更低,仅为0.06 pt。KoČí认为托盘本身的质量会导致运输货物的总负载更高,因此是否要计算托盘运输过程在生命周期内的环境影响值得考虑。
3.3 实木托盘人工生产与自动化生产的环境影响比较
仅考虑托盘生产阶段(图7),实木托盘自动生产的环境影响值为0.75 pt,人工生产的环境影响值为0.71 pt,自动化生产比人工生产的环境影响高5.63%,在生产工艺上主要体现在托盘生产阶段耗电量的差异。当自动化生产线的效率为145片/h,生产1个实木托盘机械连续生产的耗电量比人工生产的耗电量多0.20 kW·h。该数据表明,托盘生产方式的改变对环境性能的影响相对较小,考虑到托盘生产在产品整个生命周期中的环境影响比占也仅为16.27%,生产模式的变化在全生命周期中产生的总体影响就更为微弱。
但本研究自动化生产线尚未达到满负荷运转,其最大效率可达240片/h,约为人工生产的2.2倍,同时可以减少约半数人力成本,在自动化生产线与人工生产线环境影响差距较小时,自动化生产线在降本增效方面具有较大的优势。
3.4 实木托盘一次性使用与循环使用的环境影响比较
假设托盘循环使用20次,通过ReCiPe评价方法将表2和表3中两种不同使用20次情况的实木托盘清单数据建模,生成一次性使用和循环使用实木托盘的环境影响值。由图8可知,循环使用大幅降低了实木托盘在原料获取和托盘生产阶段的环境影响,在两个阶段的降幅均达到95%。这是由于“循环共用”降低了对新托盘的需求,因而相应降低了原料、生产和终了处理的负荷。在使用阶段,托盘循环使用的环境影响略高于一次性使用,这是由于循环使用增加了托盘回收维修环节,需要消耗部分电能、锯材和钢钉,但相比一次性使用仅增加了6.6%,表明循环共用的效益远远超过产生的额外负荷。
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