我國制漿造紙工業(yè)能源消耗與碳排放估算

陳 誠 邱榮祖

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州，350002)

隨著氣候變化研究的深入，溫室氣體 (Greenhouse Gas，GHG)排放問題已經(jīng)成為國際研究的熱點(diǎn)。CO2是大氣中的主要溫室氣體，碳或二氧化碳當(dāng)量 (CO2e)通常被用于衡量溫室氣體的排放量。在總溫室氣體排放中，工業(yè)排放的比重最大，而我國的工業(yè)增長更是帶有明顯的高能耗和高排放的特征［1］，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國碳排放的70%來自產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)部門，而居民碳排放僅占30%［2］。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)將成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的重要課題。

制漿造紙工業(yè)與人類日常生活息息相關(guān)，在低碳經(jīng)濟(jì)的背景下，有其特殊性。首先，制漿造紙工業(yè)屬于高能耗、高碳排放的產(chǎn)業(yè)。2007年，我國制漿造紙工業(yè)能源消費(fèi)總量3342.68萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，工業(yè)能耗占整個(gè)工業(yè)部門能耗量的2%左右，居輕工業(yè)能耗之首［3］。其次，現(xiàn)代先進(jìn)的制漿造紙工業(yè)可能是一種典型的低碳工業(yè)［4］。制漿造紙工業(yè)的原料以生物質(zhì)原料為主，其原料供應(yīng)、能源消耗以及碳排放方面都包含了生物碳;發(fā)展制漿造紙工業(yè)可以擴(kuò)大生物質(zhì)能源的使用，減少對(duì)化石燃料的依賴，從而減少碳排放。

據(jù)中國造紙年鑒［5］顯示，2011年全國紙及紙板生產(chǎn)企業(yè)有3500多家，紙漿生產(chǎn)總量7723萬t，較上年增長5.53%;紙及紙板生產(chǎn)量9930萬 t，較上年增長7.12%，工業(yè)總產(chǎn)值6911億元，占全國工業(yè)總產(chǎn)值的3.67%。消費(fèi)量 9752 萬 t，較 上年 增 長6.31%，人 均 年 消 費(fèi) 量 為 73kg(13.40億人)。目前，發(fā)達(dá)國家的人均用紙量約為300 kg［6］?？梢钥闯?，我國的制漿造紙業(yè)不僅是我國工業(yè)的重要組成部分，而且仍具有很大的發(fā)展?jié)摿?。中國造紙年鑒 (2012)數(shù)據(jù)表明，2011年，我國紙漿進(jìn)口1445萬 t，比上年增長27.09%，廢紙進(jìn)口2728萬t，比上年增長12.03%，木片進(jìn)口656.55萬t，比上年增長41.76%。因此從供應(yīng)鏈角度對(duì)制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放進(jìn)行正確評(píng)估，并考慮原料來源不同對(duì)指標(biāo)值的影響是十分有必要的。

Farahani等人［7］首次比較了瑞典和美國的漿紙一體化工廠的能耗及CO2排放量，指出制漿造紙工業(yè)的碳排放與生產(chǎn)工廠的能源效率、國家 (地區(qū))主要能源的碳排放強(qiáng)度以及生物質(zhì)能源對(duì)化石能源的替代量相關(guān)。Laurijssen等人［8］從生命周期視角研究了由3種主要紙漿 (化學(xué)漿、機(jī)械漿、廢紙漿)生產(chǎn)6種紙品的能耗及碳排放，并對(duì)荷蘭的制漿造紙工業(yè)進(jìn)行了能耗和碳排放的評(píng)估。James［9］從土地利用變化角度研究了廢紙回收與溫室氣體排放之間的關(guān)系。Manda等人［10］利用生命周期評(píng)估法 (Life Cycle Assessment，LCA)就未漂白原生紙漿、回收纖維漿和化學(xué)預(yù)熱機(jī)械漿的木材耗用、能源消耗、溫室氣體排放以及其他環(huán)境影響等因素進(jìn)行了比較。但以上研究均未考慮供應(yīng)鏈上各種原料及半成品的不同來源。

近年來，國內(nèi)也有少量關(guān)于工業(yè)能耗和碳排放估算方面的研究。董軍等人［11］研究了影響工業(yè)部門能耗碳排放的具體因素，綜合考慮能源排放強(qiáng)度、能源結(jié)構(gòu)、能源強(qiáng)度和產(chǎn)出規(guī)模等四個(gè)要素，建立了工業(yè)部門能耗碳排放分解模型。張智慧等人［12］利用投入產(chǎn)出分析技術(shù)間接碳排放，并利用關(guān)聯(lián)碳排放系數(shù)和碳排放拉動(dòng)系數(shù)比較了主要工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)出的碳排放能力。李威靈［3］對(duì)比了我國制漿造紙工業(yè)能耗水平與國際先進(jìn)水平的差距，從結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能技術(shù)和節(jié)能管理等方面提出了節(jié)能降耗的主要措施。已有研究中未見對(duì)我國制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放估算的研究，而準(zhǔn)確計(jì)算和掌握我國制漿造紙工業(yè)的能耗、碳排放量及主要因素的影響情況對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)制漿造紙工業(yè)在溫室氣體排放中的地位與作用具有重要意義，并為制漿造紙工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及戰(zhàn)略制定提供重要依據(jù)。

圖1 制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈基本模式

1 材料與方法

1.1 制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈模式

因我國制漿造紙工業(yè)的特殊性，進(jìn)行能耗和碳排放研究必須考慮進(jìn)入供應(yīng)鏈系統(tǒng)的的原料來源，我國制漿造紙工業(yè)的基本供應(yīng)鏈模式如圖1所示。

制漿廠的原料可大致分為原木、木片、廢紙及其他非木纖維;其中木片和廢紙的來源還包括進(jìn)口部分。造紙廠除使用國內(nèi)各類紙漿，還使用各類進(jìn)口紙漿。如果國產(chǎn)紙產(chǎn)品不能滿足國內(nèi)市場需求，則還需一部分的進(jìn)口紙品。各類紙品在消費(fèi)者處使用后一部分被回收，其余則被丟棄。

本研究在進(jìn)行制漿造紙工業(yè)能源消耗和碳排放的估算中，把原料分為三類:木質(zhì)纖維、回收纖維以及非木纖維。木質(zhì)纖維包括原木和木片，考慮到各國產(chǎn)業(yè)保護(hù)和運(yùn)輸效率等原因，進(jìn)口木質(zhì)纖維僅包含進(jìn)口木片;回收纖維即廢紙，包括國內(nèi)回收廢紙和進(jìn)口廢紙;非木纖維指國內(nèi)非木纖維。向造紙廠供應(yīng)的紙漿分為國內(nèi)紙漿和進(jìn)口紙漿，由國內(nèi)制漿廠生產(chǎn)的紙漿均為國內(nèi)紙漿。因數(shù)據(jù)可得性的原因，僅粗略地將木漿分為化學(xué)漿和機(jī)械漿兩大類。本研究僅關(guān)注纖維，特別是木質(zhì)纖維，因而制漿造紙過程中的其他物質(zhì)(如填充物等)則未考慮。

1.2 計(jì)算邊界

圖2 我國制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈能源消耗概況圖

基于我國制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈的基本模式，制漿造紙工業(yè)能源消耗概況如圖2所示，根據(jù)IPCC指導(dǎo)原則，假設(shè)森林的永續(xù)經(jīng)營，生物碳排放可不予計(jì)算，即木質(zhì)纖維在生長過程中的碳排放以及廢紙?zhí)幚頃r(shí) (如焚燒)的碳排放不予計(jì)算。但從能源消耗的角度，認(rèn)為原料若不用于制漿造紙，可用于生產(chǎn)能源以替代化石燃料的消耗，從而減輕碳排放。故隨著原料投入供應(yīng)鏈，可計(jì)算相應(yīng)的碳排放。此外，為了區(qū)分國內(nèi)原料和進(jìn)口原料，對(duì)于進(jìn)入供應(yīng)鏈的國內(nèi)原木及木片按我國當(dāng)前土地利用情況計(jì)算相應(yīng)的碳匯量。假設(shè)在林紙一體化戰(zhàn)略下，對(duì)制漿造紙工業(yè)木質(zhì)原料的供應(yīng)是從更多進(jìn)行森林經(jīng)營而獲取的更多木材產(chǎn)出得到的。為了進(jìn)行全周期的評(píng)價(jià)，假設(shè)市場消費(fèi)的紙品未回收的部分都將與市政垃圾一同焚燒，且焚燒產(chǎn)生的熱值將被利用，從而得到碳排放的減輕［8］。2011年我國市政垃圾焚燒率僅為17.3%，但垃圾無害化處理率已達(dá)86.9%［13］。廢紙經(jīng)過無害化處理方式并不會(huì)造成碳的消耗，且本研究更多的關(guān)注廢紙中的碳量，但該假設(shè)可能造成對(duì)廢紙回收能源的過高估算。

1.3 計(jì)算方法

基于本文的研究方法，碳排放是隨著能源的消耗而產(chǎn)生的，同時(shí)，能源的產(chǎn)出則被記為碳排放的減輕。能源消耗包括能源投入和能源產(chǎn)出兩部分，能源投入引起碳排放，而能源產(chǎn)出能減輕碳排放。能源消耗量等于能源投入與能源產(chǎn)出之差。熱能的轉(zhuǎn)換效率取為90%，電能的轉(zhuǎn)換效率取35%［14］。

1.3.1 能源消耗

(1)能源投入

供應(yīng)鏈中主要的能源投入有森林培育、砍伐、切片過程中的能源投入、原料能源投入、運(yùn)輸能源耗用、制漿造紙過程中熱能和電能的耗用。

森林培育、砍伐、切片過程中的能源投入計(jì)算見式(1):

式中，Dw為木片的體積，m3;μ1為森林培育、砍伐及切片過程中的單位能耗，本文取0.07 GJ/m3［1］。

原料能源投入計(jì)算見式 (2):

式中，Mw為生物質(zhì)的數(shù)量，即原料的木材當(dāng)量，相應(yīng)的木漿和廢紙通過轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)生物質(zhì)量，化學(xué)漿的轉(zhuǎn)換系數(shù)取為1.11，機(jī)械漿的轉(zhuǎn)換系數(shù)取為2.22，廢紙的轉(zhuǎn)換系數(shù)取為 1.85［6］;μ2為單位生物質(zhì)所包含的能量，本文取 18 GJ/m3［15］。

運(yùn)輸能源耗用的計(jì)算見式 (3):

式中，M為運(yùn)輸物的質(zhì)量，t;d為運(yùn)輸距離，km;μ3為每噸公里的能源消耗，本文取 0.01922 GJ/t·km［16］。國內(nèi)生產(chǎn)物的平均運(yùn)輸距離設(shè)為150 km，進(jìn)口物的平均運(yùn)輸距離設(shè)為500 km［11］。

制漿造紙過程中的電能和熱能的消耗計(jì)算見式(4):

式中，Eeli(kWh/t)和Ehei(GJ/t)分別為生產(chǎn)單位i種產(chǎn)品所消耗的電能和熱能;ε(0.00857 GJ/kWh)和φ(1.11)分別表示由主要能源生產(chǎn)電能和熱能的生產(chǎn)系數(shù);Wpi表示i種產(chǎn)品的質(zhì)量，t。

相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

表1 單位產(chǎn)品的電能和熱能消耗數(shù)據(jù)

(2)能源產(chǎn)出

制漿過程中的副產(chǎn)品可以用于生產(chǎn)能源，如造紙黑液及造紙廢棄物。制漿和造紙過程中的能源產(chǎn)出計(jì)算方法和制漿造紙過程中的能源消耗相同，采用式(4)計(jì)算。

此外，紙產(chǎn)品中也包含有能源。一方面，回收的廢紙?jiān)儆糜谠旒堄?jì)算同生物質(zhì)原料能源投入，采用式(2)計(jì)算。我國目前的廢紙回收率約為47.4%。另一方面，廢棄廢紙燃燒產(chǎn)生的能源用其產(chǎn)生的電能估算，計(jì)算公式如式 (5)所示。

式中，Eelg表示每噸廢紙燃燒產(chǎn)生的電能，kWh/t;Mwpi表示廢棄廢紙的質(zhì)量，t。

單位能源產(chǎn)出值如表2所示。

表2 單位產(chǎn)品的電能和熱能產(chǎn)出數(shù)據(jù)

制漿造紙過程中使用的不同方法和設(shè)備導(dǎo)致的能源消耗與產(chǎn)出相差較大，但總體而言，我國制漿造紙工業(yè)的能耗和歐洲造紙發(fā)達(dá)國家相當(dāng)［21］。

1.3.2 碳排放

根據(jù)IPCC的碳排放系數(shù)，制漿造紙工業(yè)的碳排放可根據(jù)能源消費(fèi)量與碳排放系數(shù)的乘積求得，如式(6)所示。森林培育、砍伐、切片中使用的能源按我國主要能源 (煤)計(jì)算;目前我國制漿造紙?jiān)线\(yùn)輸過程大多采用卡車運(yùn)輸，故運(yùn)輸過程中的主要能源取柴油計(jì)算。

式中，ELUi表示第i個(gè)過程中總的電能投入;ELGj表示第j個(gè)過程中的總電能產(chǎn)出;HEUi表示第i個(gè)過程中總的熱能投入;HEGj表示第j個(gè)過程中總的電能產(chǎn)出。α、β、γ、θ分別為電能、熱能、煤炭和柴油的排放系數(shù);τ為當(dāng)前土地利用情況下，我國每生長1 m3木材形成的碳匯。各參數(shù)在本文中取值如表3所示。

表3 碳排放系數(shù)取值表

2 結(jié)果與分析

根據(jù)以上計(jì)算思路和計(jì)算方法，利用仿真軟件Extendsim8.0進(jìn)行制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈的建模，從而計(jì)算出我國制漿造紙工業(yè)的能耗及碳排放。

2011年，我國制漿造紙工業(yè)總能源投入為5650.18 PJ(1 PJ=106GJ)，各部分投入比例組成如圖3所示。其中，森林培育、砍伐、切片能源投入1.26 PJ，所占比例幾乎可忽略不計(jì);生物質(zhì)原料能源投入為3169.92 PJ，占總能源投入的56%;運(yùn)輸能源投入為597.64 PJ，制漿過程中的能源投入為504.08 PJ，占總能源投入的11%;造紙過程中的能源投入為1021.40 PJ，占總能源投入的18%;非木漿能源投入355.88PJ，占總能源投入的6%。能源總產(chǎn)出為2435.56 PJ，其中制漿造紙過程中的能源產(chǎn)出為397.6 PJ，廢紙焚燒產(chǎn)生的能源為630.01 PJ，保留在回收廢紙中的能源為1531.70 PJ?？梢?，若不包括生物質(zhì)能源投入，則制漿造紙總的能源消耗是較少的。

圖3 各部分能源投入比例組成

2011年我國制漿造紙工業(yè)能源總消耗為3214.62 PJ，除去少量出口，國內(nèi)消費(fèi)的噸紙能源消耗為31.07 GJ。制漿造紙工業(yè)的總碳排放為149.74 Mt-CO2e，噸紙CO2排放量約為1543 kg CO2e。計(jì)算值與我國能源統(tǒng)計(jì)年鑒中的數(shù)值有較大差異，是因?yàn)槟茉唇y(tǒng)計(jì)年鑒考量的是工業(yè)過程中為完成生產(chǎn)而投入使用的其他能源，而本文從制漿造紙?jiān)?(木纖維)的能源本質(zhì)出發(fā)，計(jì)算的能耗值中包括原料本身作為能源的能耗。碳排放量的計(jì)算也是基于相同的視角。表4給出了不同文獻(xiàn)中的一些主要國家的制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放數(shù)據(jù)。不同的估算方法、估算依據(jù)和視角，甚至是不同的估算目的均會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，而討論的核心在于哪種方法和視角更能客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)特定行業(yè)的能耗及碳排放。此外，不同國家的制漿造紙工業(yè)碳排放和該國使用的主要能源類型及其使用效率以及廢紙回收率的大小也具有高度的相關(guān)關(guān)系。

表4 不同國家制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放比較

因各國能源效率、制漿造紙工業(yè)使用的主要能源、漿種比例、原料組成結(jié)構(gòu)等情況差異較大，能源消耗和碳排放的估算值也有較大差異。本文估算的噸紙能源消耗與表4中所示主要國家的能耗基本在同一數(shù)量級(jí)，但噸紙CO2排放的估算值較大，這是因?yàn)楸疚牡墓浪惴椒ú⑽纯紤]進(jìn)口原料在生產(chǎn)國的碳匯，而計(jì)算了這些原料對(duì)應(yīng)的碳排放當(dāng)量。近年來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到國際貿(mào)易對(duì)碳排放的影響［26-27］，正在積極推動(dòng)從基于生產(chǎn)地的計(jì)算方法向基于消費(fèi)地的計(jì)算方法的轉(zhuǎn)變［28-29］。而目前我國制漿造紙供應(yīng)鏈上的投入量，尤其是原料部分，進(jìn)口量所占比例較大。其他文獻(xiàn)在進(jìn)行國家制漿造紙工業(yè)能源消耗和碳排放估算時(shí)未考慮進(jìn)口的影響，同時(shí)Heath［25］也指出將進(jìn)口的影響加入到碳排放的估算中會(huì)使碳排放的估算值增大。

在本文提出的估算方法下，首先，若供應(yīng)鏈中的國產(chǎn)木材比例增加將帶來供應(yīng)鏈碳排放的減少;其次，紙漿供應(yīng)中，國產(chǎn)木漿的比例增加將帶來能源消耗量的減少以及供應(yīng)鏈碳排放的減少，這與我國近年來積極推動(dòng)的林漿紙一體化戰(zhàn)略是相一致的;林漿紙一體化戰(zhàn)略不僅能有效緩解我國木材對(duì)外依存度大的現(xiàn)狀，也能為節(jié)能減排戰(zhàn)略的推進(jìn)以及提高我國在國際上履約談判的主動(dòng)性產(chǎn)生積極作用。因此，本文提出的估算方法將供應(yīng)鏈上的進(jìn)出口商品的影響考慮進(jìn)來是合理的，有助于正確把握原料對(duì)外依存度對(duì)供應(yīng)鏈碳排放的影響，有利于我國制漿造紙工業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略乃至木質(zhì)林產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略的制定。

3 結(jié)論

通過對(duì)我國制漿造紙工業(yè)的分析，提出從供應(yīng)鏈的角度對(duì)制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳放量進(jìn)行估算，包括從森林培育、砍伐、制漿、造紙、消費(fèi)等主要生命周期。立足于基于消費(fèi)地的計(jì)算方法，將森林培育中產(chǎn)生的碳匯包括進(jìn)來以區(qū)別國產(chǎn)木材和進(jìn)口木材對(duì)供應(yīng)鏈碳排放的影響。

一方面，計(jì)算結(jié)果說明，在合理的土地利用變化范圍內(nèi)，積極推進(jìn)我國木材需求的自給自足有利于降低我國制漿造紙工業(yè)的碳排放。另一方面，對(duì)進(jìn)口原料與國產(chǎn)原料以不同的方法計(jì)算充分考慮了不同國家林業(yè)發(fā)展水平以及制漿造紙供應(yīng)鏈的能源消耗和碳排放水平的差異，有利于制漿造紙全球供應(yīng)鏈的形成與發(fā)展。

隨著制漿技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用制漿過程的副產(chǎn)品進(jìn)行能源的生產(chǎn)使得制漿過程不再是能源消耗過程，而是能源產(chǎn)出過程，減少對(duì)進(jìn)口木漿的依賴，能在一定程度上減少我國制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放。

將制漿造紙工業(yè)原料折算成供應(yīng)鏈的能源投入，能充分體現(xiàn)制漿造紙工業(yè)原料的特殊性及多用途性(人造板、生物質(zhì)能源等)，該計(jì)算方法下的計(jì)算結(jié)果有助于指導(dǎo)生物質(zhì)的最佳用途。

總之，從供應(yīng)鏈視角進(jìn)行制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放的研究符合當(dāng)前國際上對(duì)碳排放核算的一致認(rèn)識(shí)，有助于更合理的對(duì)一個(gè)國家制漿造紙工業(yè)進(jìn)行能源消耗和碳排放的核算。本文利用提出的基于供應(yīng)鏈視角的估算方法對(duì)我國制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放進(jìn)行了估算，估算結(jié)果對(duì)我國制漿造紙工業(yè)的發(fā)展具有重要的參考和促進(jìn)意義。

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