基于生产过程的制浆造纸企业碳排放核算研究

发布时间：2020-09-26

　　摘 要：减少碳排放的基础是找出碳排放巨大的环节。以制浆造纸企业为研究对象，核算了电力、热力、辅助燃料等使用造成的碳排放，计算了碳当量，包括了二氧化碳及其他温室气体，并针对制浆造纸生产过程中“碱回收”、“热电站动力锅炉”等热点碳排放工段，提出了优化能源结构、积极发展低碳技术等减排策略。

　　关键词：制浆造纸企业;生产过程;碳排放;核算

　　1 概述

　　在全球气候变暖、温室效应加剧的背景下，基于工艺与生产过程追踪碳元素流动以及碳排放已成为社会各界关注的热点问题[1] 。我国是全球最大的碳排放国家，能源消耗与二氧化碳排放已成为全球关注的焦点[2] 。2009年，我国在哥本哈根气候大会上承诺，至2020年我国单位生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%。

　　近年来国民环保意识有所提高，但距离实现低碳经济依然任重道远。高耗能、高排放产业的制浆造纸产业是国民经济重要组成部分，其生产过程一般包括森林抚育、木材收获、备料、制浆、碱回收、造纸和产品分销等阶段;生产过程的能耗形式主要是燃烧煤炭等产生的电能和热能，因此制浆造纸产业过程碳排放巨大。目前亚洲的吨纸碳排放率占到全球浆纸工业碳排放的41%[3] ，我国制浆造纸企业通过优化工艺，单位产量碳排放逐渐降低，但总产量的大幅度增加，使得行业碳排放总量仍持续增长，研究制浆造纸企业的碳流与碳排放具有重大意义。

　　国内外学者已对碳流和碳排放展开了大量研究。周平等通过结构分析模型，估算出居民二氧化碳间接排放量[4] 。郑军等使用工序碳源的形式表达了砂型铸造工艺的过程，建立了工序碳源和碳排放计算模型[5] 。Liu H 等学者基于改进的价值流程图及灵敏度分析，构建电子产品制造系统碳排放模型[6] ;Wang X J论证了碳排放约束机制对按订单制造企业生产规划的影响[7] 。

　　碳排放的计算方法主要有质量平衡法、排放系数法、清单编制法和实测法等[8] 。目前关于碳排放的核算方法大多根据能源消耗量并结合碳排放系数，计算出直接以及完全能耗下的碳排放量。徐盈之等人以最终需求为导向，分析了中国 2007 年制造业的直接与间接碳排放量[9] 。韦韬等以多区域投入产出表为基础，估算了 1995—2009 年我国国际贸易中的隐含能源和碳排放[10] 。WeiYiming 等[11] 、Burchart-Korol[12] 通过生命周期法分别测算了居民家庭生活的二氧化碳排放量以及能源消耗量和ULCOS炼钢法的碳排放量;Bonilla 等通过环境投入产出表，得出在欧盟各部门中电子、纺织工业的碳排放量最高[13] 。

　　本文从生产过程视角针对制浆造纸企业碳排放展开研究，从制浆造纸企业的主要生产过程入手，研究备料、制浆、纸浆漂白、碱回收、苛化、石灰锻烧以及废物处理等工序，并以斯道拉恩索(广西) 林浆纸有限公司为例，分析计算了基于制浆造纸生产过程的碳排放，旨为企业节能减排、优化生产提供有效分析工具。

　　2 研究方法与数据来源

　　2.1 制浆造纸企业主要生产过程

　　制浆造纸工厂的主要生产过程描述如下：

　　2.1.1 备料过程

　　包括获取木材，对原木进行剥皮、筛选等处理，同时树皮木屑等回收进热电站。

　　2.1.2 制浆过程

　　一般包括蒸煮、净化、漂白等过程，产生的废水主要有黑液，进入碱回收工段。进一步净化、漂白粗浆得到符合要求的浆料，此阶段产生废水废渣，同时产生的污泥回收进热电站。故制浆工序碳的流向有：稀黑液、漂白浆料、废水废渣、污泥以及因消耗电力、热力间接排放的二氧化碳等温室气体。

　　2.1.3 浆板生产过程

　　包括浆料净化、抄浆等工序，将制浆车间生产所得的桉木化学浆进一步处理得到漂白桉木化学浆板，同时产生废水废渣。

　　2.1.4 造纸过程

　　造纸原料为外购针叶木浆、外购化机浆、填料以及公司自己生产的桉木化学浆，得到最终纸制品并产生废水废渣。

　　2.1.5 碱回收过程

　　黑液在进入碱回收设备后，经过蒸发变为浓黑液;浓黑液进入燃烧工段燃烧，排放二氧化碳等温室气体;燃烧后的熔融物溶解后得到绿液;绿液苛化后产生的稀白液回收进入熔解设备;产生的白泥煅烧后回收碱，排放二氧化碳等温室气体。

　　在核算制浆过程和碱回收过程中，核算的是由电力、热力造成的间接碳排放，因此将其归入热电站的碳排放统一核算，不归为制浆和碱回收过程;而浓黑液燃烧、白泥煅烧 (使用重油) 产生的碳排放则纳入碱回收过程。

　　2.2 碳排放当量核算模型

　　碳排放是所有涉及的工业部门直接与间接的总碳排放，采用一般碳当量的计算方法。《京都议定书》中共规定了6类重要温室气体，分别为二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫。本文参照 《PAS 2050 产品和服务生命周期温室气体排放评估规范化》 中给出的方法，以CO2为基准，按照其他各种温室气体在100 年内产生的全球暖化效应，即全球增温潜势 (GWP)，折换成CO2当量[14] 。前三类温室气体在全球温室气体排放量中占有较大比例，且在各工业生产部门中较为常见，其中CO2和 CH4对温室效应的影响已占到 86%[15] ，N2O 比工业革命前增加了 18%，并以0.2%~0.3%的速率持续上升[16] 。因此本文选择前三类温室气体为核算对象，其全球增温潜势值分别为1、21、100。

　　基于生产过程的制浆造纸企业碳排放核算研究相关期刊推荐：《林业经济》于1979年创办，为月刊，本刊力求在理论与实践结合的层面，印证林业在生态文明建设中的基础地位，阐释林业对减缓气候变化、维护生态安全、促进绿色发展、加快城乡一体化建设的重要作用，解读林业生态建设、生态文化建设与产业建设丰富内涵，是林业及相关部门与人士了解有关政策资讯、刊登相关理论成果、介绍典型案例和分享实践经验的重要媒体。

　　根据 《温室气体议定书：企业核算和报告准则》 中对排放范畴的规定，制浆造纸企业的碳排放环节主要包括：①电力、热力使用造成的间接碳排放;②工艺过程可能的挥发排放;③可燃物(如重油、黑液等) 燃烧造成的直接排放;④废水生物处理过程的排放。不同类型的碳排放计算方法如下。

　　2.2.1 电力使用产生的碳排放

　　核算电力使用所造成的间接碳排放时，采用消费属地原则，按企业用电量和企业所在地区的碳排放系数进行碳排放的计算。

　　2.3 基本数据来源

　　本文所用数据主要来源于联合国政府间气候变化专门委员会、《京都议定书》、《省级温室气体清单编制指南》 以及 《斯道拉恩索林浆纸有限公司 .90万 t浆、90万 t纸和纸板项目报告》等。该项目具体生产方案为：年产桉木化学浆 90万 t，其中 45 万 t 自用，45 万 t 为商品浆;年产量共 90 万 t，其中 45 万 t 高档包装卡纸板，45 万 t 高档文化纸(20万t高档书写印刷纸，25万t铜版纸)。

　　3 计算过程与结果

　　林浆纸一体化生产过程中，由于下游纸产品的需求效应，隐含在物料中的碳流由上游向下游迁移，称之为隐含碳流。在充分考虑各工段物料损失率的基础上，得到产品在各生产单元所耗用的各类物料数量，结合物料数量及其碳元素含量，可计算出各生产过程的隐含碳流量。将原材料、填料中主要物料的含碳率分别视为纸制品和填料的含碳率，得到三类纸产品的原材料、填料的含碳率 (见图 1)。由此得到针叶木浆、化机浆、桉木化学浆、填料和废水废渣的总碳含量分别 7.55 万吨、5.92万t、19.91万t、8.62万t和 2.9万t。

　　根据浆及纸的含碳率参数[17-18]可得，绝干浆和风干浆含碳率为 0.5 和 0.45，故 45 万 t 商品浆中碳含量为 20.25万t;由于纸制品中有填料，废水废渣的含碳量会高一些，故合理估算废水废渣含碳量约占商品浆板的 8%，即含碳量为 1.62万t。

　　每生产 1 t 桉木化学浆需木片 1.887 t，共需 92.85万 t桉木化学浆，锯木含碳率为 0.5，故木片碳含量为 87.60 万 t。原木到木片损失率为 9.8%，故原木碳含量为 97.12万t。

　　制浆造纸企业主要生产过程的碳排放核算结果见表 1。

　　由能源单位消耗参数可知，共需重油 4.18 万 t，参考公式 (3) 及增温潜势值、广西排放系数[17]，算得重油燃烧产生 13.56万 t产生的碳排放。根据能源单位消耗参数，分别得到各类物料的含碳量，如表 2所示。

　　4 结果与讨论

　　制浆造纸企业碳排放权重最高的为热电站动力锅炉，主要来源于煤炭、天然气燃烧以及为提供动力的其他生物质的燃烧;其次为碱回收工艺中的黑液燃烧和废物处理环节;最后为碱回收工艺中的重油燃烧和石灰石分解，具体碳排放数值及权重见图2。

　　制浆造纸企业可以从热点碳流动路径和热点碳排放工段着手改进，通过优化碱回收工段和优化能源结构，减少在热电站工序中的二氧化碳排放;研发先进技术、设备，控制和减少制浆造纸过程中的碳排放。

　　4.1 优化能源结构，使用清洁能源

　　优化能源结构是指用清洁能源代替公司使用的化石能源，减少企业生产过程中的二氧化碳排放量。清洁能源兼具经济性与清洁性，既能符合排放标准，又能减少环境污染。煤炭、重油等化石能源在使用过程中释放的二氧化碳远高于等量清洁能源释放的二氧化碳，而且清洁能源的转换效率更高。为响应政府低碳号召并树立良好企业形象，制浆造纸企业在保证自身正常运营的情况下，应选择清洁能源代替部分化石能源，不仅能实现碳减排，而且企业能减少因处理二氧化碳的成本并带来新的收益[19] 。

　　4.2 积极发展低碳技术低碳技术

　　能够通过减少温室气体的排放，从而减少环境污染。通过低碳技术实现节能减排是目前最具有竞争力、最有效的方式。技术减排一般指通过改进某个生产工艺流程、研发先进低碳技术并使用环保低碳设备等，减少各个生产环节的二氧化碳排放量。制浆造纸企业可通过高压板式降膜蒸发器、蒸发工段污冷凝水分级与回用和黑液热处理等技术[20] ，降低黑液蒸发浓缩的能源消耗，从而减少碳排放。通过先进的环保设备能够减少企业在生产过程中各环节的碳排放量，基于此，斯道拉恩索还可以通过提高碱回收炉、苛化设备效率或引进先进设备，降低二氧化碳的排放量。

　　此外，通过余热改造工程或建造光伏发电厂等方案，可减少企业在制浆造纸过程中使用的热力量与电力量，减少热电站动力锅炉所需的原煤量，从而减少因提供生产过程所需的电力和热力而产生的二氧化碳排放量。

　　以制浆、造纸、化学制品和钢铁为代表的原材料工业碳排放占总排放的2/3以上，制浆造纸企业低碳减排任重道远，不少问题亟待解决，主要有：①低碳技术的科技成果转化进程缓慢，各方科研资源难以整合，产、学、研存在脱节，以企业为主体的技术创新体系不够健全;②企业创新成本居高不下，由于创新低碳技术前期投资大、研发周期长，政府的激励机制与政策优势并不明显，不少企业望而却步;③发达国家掌握低碳技术标准话语权，发展中国家只有通过购买其设备、技术和缴纳“碳关税”才能出口本国产品[21] 。——论文作者：景晓玮，赵庆建