造紙行業(yè)碳排放解耦及預(yù)測(cè)分析

摘要： 采用Tapio模型分析了造紙行業(yè)碳排放與產(chǎn)量之間的解耦狀態(tài)，基于STIRPAT模型預(yù)測(cè)了不同發(fā)展模式下造紙行業(yè)的碳排放水平。結(jié)果表明，造紙行業(yè)碳排放量與產(chǎn)量之間多為強(qiáng)解耦和弱解耦狀態(tài)，其中能源強(qiáng)度和電力排放因子是驅(qū)動(dòng)碳排放解耦的主要因素；按照現(xiàn)有模式發(fā)展，造紙行業(yè)的碳排放量將繼續(xù)增長(zhǎng)；為實(shí)現(xiàn)造紙行業(yè)碳排放量的降低，除降低電力排放因子和提高廢紙回收率外，還應(yīng)綜合采用改善能源效率及加快能源轉(zhuǎn)型等多種脫碳手段，以實(shí)現(xiàn)碳排放從2030年開始由增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻档蜖顟B(tài)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：造紙行業(yè)；碳排放；產(chǎn)量；解耦；預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TS7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 02. 010

造紙行業(yè)是重要的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)之一，具有能源消耗高、碳排放量大的特點(diǎn)，是八大高能耗行業(yè)之一[1]，也是輕工業(yè)領(lǐng)域能源消耗的重點(diǎn)行業(yè)[2]；同時(shí)，因其天然綠色屬性，造紙行業(yè)具備低碳轉(zhuǎn)型的發(fā)展?jié)摿3]。近年來(lái)，一系列節(jié)能降碳措施和綠色制造標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)及實(shí)施促進(jìn)了我國(guó)造紙行業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗的不斷降低[4]，但隨著紙和紙板需求量的快速增長(zhǎng)[5-6]，如不采取深度脫碳措施，造紙行業(yè)的碳排放量將持續(xù)增加[7]。有研究預(yù)計(jì)，造紙行業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”時(shí)間將滯后于全國(guó)碳達(dá)峰目標(biāo)[8]，說(shuō)明造紙行業(yè)完成“雙碳”目標(biāo)仍將面臨巨大挑戰(zhàn)。

據(jù)估算，我國(guó)造紙行業(yè)的CO2 排放量約為全國(guó)總排放量的1%[9]，其來(lái)源主要包括：化石能源燃燒的直接排放，生物質(zhì)燃燒的直接排放，外購(gòu)電力和熱力的間接排放，化學(xué)制漿苛化單元的過(guò)程排放，以及廢水厭氧處理的排放[10]。其中，能源消耗產(chǎn)生的碳排放，即化石能源燃燒的直接排放和外購(gòu)電力或熱力的間接排放，占造紙行業(yè)溫室氣體總排放量的95%[7]。因此，本課題主要分析能源消耗引起的碳排放。

造紙行業(yè)的脫碳對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起著關(guān)鍵作用。開展碳排放的解耦分析可以定量識(shí)別影響碳排放的主要因素，可以明確造紙行業(yè)的碳排放特點(diǎn)[11]。本課題通過(guò)控制影響因素的變化來(lái)預(yù)測(cè)不同發(fā)展模式（優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善能源效率、提高廢紙回收率和降低電力排放因子等方面） 下我國(guó)造紙行業(yè)的碳排放趨勢(shì)，以期為造紙行業(yè)的綠色低碳發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1. 1 造紙行業(yè)碳排放核算方法

造紙過(guò)程消耗的能源類型有煤、天然氣、燃油、電力和生物質(zhì)（黑液）。由于黑液來(lái)源于生物質(zhì)且通常被燃燒處理用于能量的回收，因此被認(rèn)為是碳中性[12]，造紙行業(yè)因能源消耗產(chǎn)生的碳排放量計(jì)算見(jiàn)式（1）。

C =Σin ADi·EFi （1）

式中，C 是造紙行業(yè)碳排放總量，t CO2；ADi是第i 種能源的活動(dòng)水平，GJ或MWh；EFi是第i 種能源的碳排放因子，t CO2/GJ或t CO2/MWh。

1. 2 造紙行業(yè)碳排放解耦分析方法

根據(jù)Tapio模型[13]，建立造紙?zhí)寂欧排c產(chǎn)量之間的解耦模型，解耦系數(shù)（e） 的計(jì)算見(jiàn)式（2）。

e = ΔC/Ct ／ΔY/Yt = （CT - Ct ） Ct／ （YT - Yt ） Yt（2）

式中，ΔC 為碳排放量的變化值，t CO2；ΔY 為造紙產(chǎn)量的變化值，t紙；CT表示目標(biāo)年的碳排放總量，t CO2；Ct為基準(zhǔn)年的碳排放總量，t CO2；YT為目標(biāo)年的產(chǎn)量，t紙；Yt為基準(zhǔn)年的產(chǎn)量，t紙。

根據(jù)e 的大小，可以判斷造紙行業(yè)碳排放與造紙產(chǎn)量之間的解耦狀態(tài)，見(jiàn)表1。

為明確各因素對(duì)碳排放解耦的貢獻(xiàn)，將Tapio模型中的解耦系數(shù)分解為排放因子效應(yīng)、能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)、能源強(qiáng)度效應(yīng)和產(chǎn)量規(guī)模效應(yīng)，用Kaya恒等式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，計(jì)算見(jiàn)式（3）。

式中，Ci為消耗i 類能源產(chǎn)生的碳排放量，t CO2；Ei為i 類能源消耗量，GJ；E 為能源消耗總量，GJ；Y為造紙產(chǎn)量，t紙；EFi 為第i 類能源的碳排放因子，t CO2/GJ或t CO2/MWh；ESi為第i 類能源占總能源消耗的比例，%；EI為能源強(qiáng)度，GJ/t紙。

對(duì)上述因素采用對(duì)數(shù)平均迪氏指數(shù)法（LMDI）將式（3）分解，具體見(jiàn)式（4）。

ΔC = ΔCEF + ΔCES + ΔCEI + ΔCY （4）

式（4） 聯(lián)立式（2） 可得影響解耦的4 個(gè)效應(yīng)，見(jiàn)式（5）。

式中，eEF 為電力排放因子效應(yīng)；eES 為能源結(jié)構(gòu)效應(yīng)；eEI為能源強(qiáng)度效應(yīng)；eY為產(chǎn)量規(guī)模效應(yīng)。

1. 3 造紙行業(yè)碳排放預(yù)測(cè)方法

1. 3. 1 STIRPAT模型建立

選取造紙產(chǎn)量、能源強(qiáng)度、生物質(zhì)能源份額、外購(gòu)電力份額、電力排放因子及廢紙回收率6個(gè)因素，對(duì)STIRPAT模型中的原有影響因素進(jìn)行擴(kuò)展[14]，得到造紙行業(yè)的碳排放預(yù)測(cè)模型，見(jiàn)式（6）。

ln C = α0 + α1 ln Y + α2 ln EI + α3 ln B +α4 ln EP + α5 ln EF + α6 ln R + ln r （6）

式中，α0為函數(shù)的常數(shù)項(xiàng)；B為生物質(zhì)能源占總能耗的比例，%；EP為外購(gòu)電力占總能耗的比例，%；EF 為電力排放因子， tCO2/MWh； R 為廢紙回收率，%；r 為模型誤差；α1、α2、α3、α4、α5、α6 分別為各因素的擬合系數(shù)。

1. 3. 2 情景模式設(shè)置

表2為本研究設(shè)置的7種造紙行業(yè)碳排放情景模式，分別為：1#常規(guī)模式、2#能效提升模式、3#能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型模式、4#電力排放因子降低模式、5#廢紙回收率提高模式、6#理想模式、7#綜合模式。

1#常規(guī)模式下的能源強(qiáng)度年均下降率、生物質(zhì)能源年均增長(zhǎng)率、外購(gòu)電力年均增長(zhǎng)率、電力排放因子年均下降率及廢紙回收年均增長(zhǎng)率是根據(jù)造紙行業(yè)2010—2021年的歷史發(fā)展趨勢(shì)設(shè)定的。2#能效提升模式中能源強(qiáng)度的年均下降率為2.0%[15]，其他與常規(guī)模式相同。2021年，生物質(zhì)能源占造紙行業(yè)能源消費(fèi)總量的23.4%，預(yù)計(jì)2035年達(dá)到35%以上[16]；外購(gòu)電力占造紙行業(yè)能源消費(fèi)總量的20.3%，預(yù)計(jì)2035年達(dá)30%[17]，因此，3#能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型模式中的生物質(zhì)能源年均增長(zhǎng)率為2.9%，外購(gòu)電力年均增長(zhǎng)率為2.8%。4#電力排放因子降低模式是假設(shè)電力排放因子的年均下降率， 為1.3%[18]。2021 年， 我國(guó)廢紙回收率為51.3%，假設(shè)2035年可達(dá)到歐盟70%的目標(biāo)[19]，據(jù)此，5#廢紙回收率提高模式中的廢紙回收率年均增長(zhǎng)率設(shè)置為2.2%，其他與常規(guī)模式相同。6#理想模式是假設(shè)所有的減排措施同時(shí)按各模式中的最大力度實(shí)施。7#綜合模式是假設(shè)所有的減排措施實(shí)施力度介于歷史趨勢(shì)和最大力度之間。

本課題以2021 年為基準(zhǔn)年， 預(yù)測(cè)分析2022—2035年我國(guó)造紙行業(yè)的碳排放水平。其中，造紙產(chǎn)量按照《造紙行業(yè)“十四五”及中長(zhǎng)期高質(zhì)量發(fā)展綱要》在2035年達(dá)到1.7億t進(jìn)行估算[16]。

1. 4 數(shù)據(jù)來(lái)源

外購(gòu)電力的排放因子來(lái)自魏夕凱等[18]的研究結(jié)果?；剂虾碗娏Φ幕顒?dòng)數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》[20]。制漿黑液的數(shù)量和熱量根據(jù)化學(xué)漿產(chǎn)量進(jìn)行估算[21]?；瘜W(xué)漿和造紙產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)造紙年鑒》[22]。不同類型能源的碳排放因子來(lái)自《造紙和紙制品生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南》[23]。

2 結(jié)果與討論

2. 1 造紙行業(yè)碳排放現(xiàn)狀分析

圖1 為2010—2021 年造紙行業(yè)碳排放量變化趨勢(shì)。2010—2013 年， 碳排放從1.25 億t CO2 增加到1.46 億t CO2；2013—2020年，碳排放呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)；2021年，碳排放量又開始增加。

由圖1可知，造紙行業(yè)的碳排放主要來(lái)自煤燃燒的直接排放和外購(gòu)電力的間接排放。其中，煤燃燒的排放量呈明顯降低趨勢(shì)，在2013年達(dá)到1.05億t CO2的峰值后，每年維持5%左右的減少率，至2021年降至6 900萬(wàn)t CO2。外購(gòu)電力的間接排放，除2012年和2015年外，均保持增長(zhǎng)，共增加了1 130萬(wàn)t CO2。天然氣燃燒的碳排放從2015 年開始增長(zhǎng)明顯，雖然2021年約為2010年近18倍，但其絕對(duì)量仍然很小，僅占4.7%。其他化石能源燃燒的直接排放低于1%。

2. 2 造紙行業(yè)碳排放解耦分析

表3 為碳排放與造紙產(chǎn)量的解耦系數(shù)。2010—2021年，造紙產(chǎn)量的解耦系數(shù)均為正，表明產(chǎn)量增長(zhǎng)是驅(qū)動(dòng)碳排放的主要因素；能源強(qiáng)度與電力排放因子的解耦系數(shù)在大多數(shù)年份為負(fù)，表明能源強(qiáng)度的改善與電力排放因子的降低促進(jìn)了碳排放與產(chǎn)量之間的解耦；能源結(jié)構(gòu)的解耦系數(shù)則正負(fù)交替，表明該效應(yīng)對(duì)碳排放解耦的影響不穩(wěn)定，取決于當(dāng)年能源結(jié)構(gòu)的具體情況。

根據(jù)各效應(yīng)的解耦系數(shù)之和，可以判斷，2010—2021年造紙行業(yè)碳排放與產(chǎn)量之間呈現(xiàn)5種不同的解耦狀態(tài)，分別為：弱解耦、強(qiáng)解耦、隱形耦合、強(qiáng)負(fù)解耦和增長(zhǎng)耦合，如圖2所示。

2010—2011 年，碳排放與造紙產(chǎn)量同步增長(zhǎng)，解耦系數(shù)elt;0.8，但能源強(qiáng)度和電力排放因子的下降抑制了碳排放，呈現(xiàn)為碳排放增長(zhǎng)速率低于造紙產(chǎn)量增長(zhǎng)速率的弱解耦狀態(tài)。2011—2012年，由于能源強(qiáng)度和電力排放因子的持續(xù)降低，碳排放與造紙產(chǎn)量呈強(qiáng)解耦狀態(tài)。2012—2013年，雖然造紙產(chǎn)量下滑，但由于耗煤總量的大幅增加和能源強(qiáng)度的反彈，導(dǎo)致碳排放增加，因此，呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)解耦狀態(tài)。自2013年后，造紙行業(yè)能源消耗類型開始轉(zhuǎn)向天然氣和電力，同時(shí)能源強(qiáng)度也進(jìn)一步改善，2013—2015年實(shí)現(xiàn)了碳排放的強(qiáng)解耦狀態(tài)，但在2015—2016年又轉(zhuǎn)變?yōu)槿踅怦顮顟B(tài)。2016—2017年和2017—2018年造紙產(chǎn)量和碳排放分別呈現(xiàn)同步的增長(zhǎng)和下降，解耦系數(shù)e介于0.8～1.2，呈現(xiàn)為增長(zhǎng)耦合和隱形耦合2種相反的狀態(tài)。2018—2020年，由于生物質(zhì)能源的增加，使得碳排放與造紙產(chǎn)量又呈現(xiàn)強(qiáng)解耦狀態(tài)。2020—2021年，造紙?zhí)寂欧旁俅纬尸F(xiàn)出弱解耦狀態(tài)。

近年來(lái)，能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、能源效率的提升以及電力排放因子的下降，造紙行業(yè)產(chǎn)量與碳排放主要呈現(xiàn)強(qiáng)解耦和弱解耦的狀態(tài)。因此，應(yīng)持續(xù)改善能源效率，同時(shí)加快能源轉(zhuǎn)型，以保持碳排放與造紙產(chǎn)量之間的強(qiáng)解耦狀態(tài)。

2. 3 造紙行業(yè)碳排放預(yù)測(cè)分析

2. 3. 1 STIRPAT模型預(yù)測(cè)結(jié)果及檢驗(yàn)

對(duì)建立的STIRPAT 模型進(jìn)行回歸分析，得到造紙行業(yè)碳排放預(yù)測(cè)模型，見(jiàn)式（7）。

ln C = -2.216 + 0.992ln Y + 0.875ln EI -0.208ln B + 0.052ln EP + 0.319ln EF -0.06ln R （7）

圖3為造紙行業(yè)碳排放預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比，結(jié)果顯示誤差為±0.8%。

由式（7）可知，對(duì)碳排放影響較大的因素是造紙產(chǎn)量與能源強(qiáng)度。其中，產(chǎn)量反映了行業(yè)的發(fā)展規(guī)模，產(chǎn)量的增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致碳排放量的增加。能源強(qiáng)度反映了行業(yè)能效水平，技術(shù)進(jìn)步可以有效提高能效，進(jìn)而抑制碳排放。能源結(jié)構(gòu)對(duì)碳排放的影響較大，生物質(zhì)能源的增加可以替代部分化石燃料，而外購(gòu)電力消耗增多則會(huì)增加間接排放。通過(guò)進(jìn)一步提高能效和向非化石能源轉(zhuǎn)型，可以大幅降低碳排放總量。另外，降低電力排放因子、提高廢紙回收率也能在一定程度上減少造紙行業(yè)的碳排放水平。

2. 3. 2 造紙行業(yè)碳排放預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

圖4 為造紙行業(yè)碳排放預(yù)測(cè)趨勢(shì)（2021—2035年）。由圖4可知，1#常規(guī)模式下，碳排放量從2021年的1.25億t CO2上升到2035年的1.37億t CO2，年均增長(zhǎng)率為0.65%。2#能效提升模式、3#能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型模式、4#電力排放因子下降模式和5#廢紙回收率提高模式下，碳排放量將呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)；其中，能效提升模式的年均增長(zhǎng)率最低，而廢紙回收率提高模式的年均增長(zhǎng)率最大，說(shuō)明通過(guò)提高廢紙回收率這一單一措施實(shí)現(xiàn)碳減排的潛力有限； 預(yù)計(jì)2035年，這4種模式的碳排放量較常規(guī)模式將分別減少830、635、246和79萬(wàn)t CO2。7#綜合模式下，碳排放量先以0.15%的年均增長(zhǎng)率緩慢增加，至2030年達(dá)到1.27億t CO2 的峰值，而后會(huì)以0.08%的年均速率下降。而6#理想模式下，造紙行業(yè)碳排放呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，累計(jì)減少540萬(wàn)t CO2排放。

3 結(jié)論

3. 1 造紙行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)趨向于低碳化。2010—2021年，煤的碳排放明顯降低；天然氣的碳排放雖有增加，但總量占比仍很低；外購(gòu)電力的碳排放占比在增加。

3. 2 造紙行業(yè)碳排放量與造紙產(chǎn)量之間的強(qiáng)耦合特性逐漸減弱，能源強(qiáng)度的改善和電力排放因子的降低是驅(qū)動(dòng)碳排放解耦的主要因素。

3. 3 按常規(guī)發(fā)展模式，造紙行業(yè)的碳排放量在2035年之前將保持增加趨勢(shì)，但綜合采用改善能源強(qiáng)度、加快能源轉(zhuǎn)型、提高廢紙回收率、降低電力排放因子等多種脫碳手段，可以從2030年開始實(shí)現(xiàn)碳排放由增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻档蜖顟B(tài)。

3. 4 除以上脫碳手段外，還應(yīng)制定合理的脫碳政策和脫碳路徑，以進(jìn)一步促進(jìn)造紙行業(yè)碳排放水平的降低。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：宋佳翼）