采用A-D-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)的能耗與碳排放模型研究

摘要： 基于相同的核算邊界，分別構(gòu)建采用A-D-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)與常規(guī)堿法制漿聯(lián)合燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的能量與碳排放模型。通過物流平衡及排放因子法聯(lián)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)算出2種制漿聯(lián)合廠的能耗及碳排放。結(jié)果表明，采用A-D-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)工廠的單位產(chǎn)品能耗比常規(guī)堿法制漿聯(lián)合工廠降低了26. 8%。其中，堿回收單元降低了51. 2%的能耗。采用A-D-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)的單位產(chǎn)品碳排放量為1. 72 t CO2/Adt，且93. 6%為生物質(zhì)碳，總碳排放下降了31. 6%，表明采用A-D-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)具有顯著的節(jié)能減排效應(yīng)，為促進(jìn)制漿聯(lián)合企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供新的策略。

關(guān)鍵詞：制漿工藝；生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)；黑液處理；節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：TS74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 02. 015

制漿造紙工業(yè)是重要的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，每年約消耗全球8% 的能源，也將帶來4.5% 的溫室氣體排放。制漿是制漿造紙工業(yè)生命周期的第二步，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，從1960—2022年，制漿約消耗制漿造紙生命周期總能耗的17%。我國(guó)近15年紙漿消耗量平均增長(zhǎng)率為3.87%，2023年全國(guó)紙漿消耗量11 899萬t，其中木漿消耗量4 931 萬t，占總紙漿消耗的41.4%[2]。《中國(guó)造紙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展白皮書》及GB 31825—2024《制漿造紙單位產(chǎn)品能源消耗限額》均表明，制漿企業(yè)必須朝可持續(xù)化、綠色化、高端化發(fā)展。因此，針對(duì)制漿聯(lián)合企業(yè)的發(fā)展制定合理有效的節(jié)能減排措施刻不容緩。

為了制定節(jié)能減排措施，需厘清企業(yè)能耗和碳排放情況。張欣等[3]研究了某典型制漿造紙廠，該企業(yè)的制漿能源消耗最大的工段在堿回收工段，能耗占比高達(dá)91%，而碳排放占比最大的工段來源于熱電聯(lián)產(chǎn)車間的一次能源排放。于悅[4]研究了斯道拉恩索（廣西） 漿紙有限公司的能源消耗情況，結(jié)果表明，熱電聯(lián)產(chǎn)的化石燃料占總能源53.1%， 黑液燃燒需要26.4%的能源，物質(zhì)運(yùn)輸能耗約20.5%；化石燃燒產(chǎn)生74.6% 的碳排放，黑液燃燒造成了15.4% 的碳排放。房桂干[5]研究了高得率制漿過程中如何實(shí)現(xiàn)碳減排及工程化運(yùn)行案例。以上研究對(duì)能源結(jié)構(gòu)和能源效率提出了建議，并指出了制漿聯(lián)合工廠的能耗和碳排放關(guān)鍵生產(chǎn)單元是熱電聯(lián)產(chǎn)和堿回收單元。

當(dāng)前制漿企業(yè)的熱電聯(lián)產(chǎn)主要采用燃煤熱電形式，通過優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，采用生物質(zhì)燃料替代一次能源成為減排的措施之一[6]。我國(guó)生物質(zhì)鍋爐技術(shù)已位于世界前列，且熱電效率基本超過了45%。石清泉等[7]研究表明，技術(shù)改革可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐的熱電效率達(dá)58.9%。因此，采用生物質(zhì)鍋爐的熱電聯(lián)產(chǎn)可為制漿聯(lián)合工廠的綠色可持續(xù)發(fā)展傳輸綠色能源。

黑液是制漿過程的副產(chǎn)物，黑液中的主要成分由2/3的有機(jī)物及1/3無機(jī)物組成[8]。當(dāng)前黑液的主要處理方式是將黑液進(jìn)行濃縮-燃燒-苛化，旨在回收余熱與殘堿。但隨著黑液多效蒸發(fā)濃縮濃度的變大，其黏度增加，導(dǎo)致能耗需求增高[9]；且燃燒與苛化后的石灰煅燒還產(chǎn)生了大量的CO2排放。優(yōu)化黑液堿回收工藝已成為制漿企業(yè)節(jié)能減排路徑之一。筆者所在課題組經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)探索發(fā)現(xiàn)，黑液酸化所得粗木質(zhì)素具有較高熱值[10]，經(jīng)測(cè)試，該粗木質(zhì)素?zé)嶂禐?2.04 MJ/kg，可以與木皮、秸稈等生物材料構(gòu)成生物質(zhì)燃燒塊應(yīng)用于生物質(zhì)鍋爐中。剩余的濾液將其pH值調(diào)節(jié)至中性后用于循環(huán)蒸煮[11]，蒸煮所得化學(xué)漿質(zhì)量良好，且得率提高了9%～13%[12]。進(jìn)一步研究表明，將剩余濾液濃縮結(jié)晶、燃燒純化后得到以氯化鈉為主的無機(jī)鹽，然后采用氯堿工業(yè)的電解法對(duì)無機(jī)鹽溶液進(jìn)行電解得到NaOH溶液，同時(shí)還獲得了H2和Cl2，將其合成為HCl可循環(huán)應(yīng)用于酸化工段。筆者所在課題組將該制漿工藝命名為：A-D-E-RC法廢液循環(huán)制漿工藝。該制漿工藝可以有效避免黑液的大量濃縮蒸發(fā)、濃黑液燃燒、綠液苛化及后續(xù)石灰石煅燒所造成的能耗及碳排放。且制漿副產(chǎn)物通過逐級(jí)分化而高效回收利用，具體工藝流程圖如圖1所示。

本研究將結(jié)合能源結(jié)構(gòu)與制漿工藝的變化對(duì)聯(lián)合制漿廠的能耗與CO2排放進(jìn)行論證分析。通過構(gòu)建模型及運(yùn)算對(duì)比法驗(yàn)證采用A-D-E-RC法廢液循環(huán)制漿工藝聯(lián)合生物質(zhì)鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)的制漿廠能耗和CO2排放效益，旨在為制漿造紙行業(yè)的清潔生產(chǎn)提供新的策略。

1 研究?jī)?nèi)容與方法

1. 1 A-D-E-RC法廢液循環(huán)制漿工藝

A-D-E-RC法廢液循環(huán)制漿工藝是基于黑液酸析提取木質(zhì)素和筆者所在課題組對(duì)濾液循環(huán)蒸煮制漿工藝及無機(jī)鹽溶液電解的研究而提出。具體來說，該工藝采用鹽酸酸化黑液（A） 使木質(zhì)素析出，并獲得酸性濾液。接著將酸性濾液通過酸堿中和反應(yīng)調(diào)節(jié)濾液pH為中性。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的中性濾液經(jīng)MVR蒸發(fā)濃縮、燃燒有機(jī)質(zhì)獲得無機(jī)鹽（D）。然后，通過電解無機(jī)鹽溶液的方法（E） 再生NaOH，并將電解獲得氫氣和氯氣通過反應(yīng)器合成為鹽酸。最后，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%的中性濾液與再生NaOH溶液循環(huán)回用于蒸煮木片（RC）。經(jīng)6次化學(xué)法循環(huán)蒸煮按木片，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，通過6次循環(huán)蒸煮，黑液中木質(zhì)素提取率高、濾液CODCr去除率gt;50%、化學(xué)桉木漿得率較初次蒸煮均有所提升、電解的堿回收率高于常規(guī)苛化堿回收。所得桉木化學(xué)漿以20%漿濃抄紙，所抄紙張定量為70 g/m2。根據(jù)GB/T 455—2002、GB/T 454—2002、GB/T 453—2002對(duì)紙張撕裂度、耐破度、抗張強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，紙張品質(zhì)均符合牛皮紙國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1. 2 系統(tǒng)邊界與建模

根據(jù)廣西某制漿熱電聯(lián)產(chǎn)工廠的產(chǎn)品生命周期確定系統(tǒng)邊界由熱電聯(lián)產(chǎn)單元、制漿單元、堿回收單元、廢水處理單元組成。在此邊界下構(gòu)建A-D-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)工廠的物流模型，詳見圖2。

1. 3 物料平衡

物料衡算是確定化工生產(chǎn)過程中物料比例和物料轉(zhuǎn)變定量關(guān)系的過程，是化工工藝計(jì)算中最基本、最重要的內(nèi)容之一[13]。目的是根據(jù)原料與產(chǎn)品之間的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系，計(jì)算原料的消耗量，各種中間產(chǎn)品、產(chǎn)品和副產(chǎn)品的產(chǎn)量，生產(chǎn)過程中各階段的消耗量與組成，進(jìn)而為能量衡算、設(shè)備計(jì)算提供初始數(shù)據(jù)。本研究以700 t/天化學(xué)桉木漿作為初始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，物料核算的詳細(xì)數(shù)據(jù)見補(bǔ)充材料1（見增強(qiáng)出版電子版）。

1. 4 能量的產(chǎn)生與消耗

1. 4. 1 能量的產(chǎn)生

制漿廠所需電能由熱電聯(lián)產(chǎn)單元提供，蒸汽熱能由熱電聯(lián)產(chǎn)單元及燃燒爐的回收熱能提供[14]。在常規(guī)堿法制漿廠熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為燃煤形式，其熱效率為90%，而A-D-E-RC法制漿聯(lián)合廠的熱電聯(lián)產(chǎn)單元通過燃燒粗木質(zhì)素及生物質(zhì)燃料來獲取能量，生物質(zhì)鍋爐的熱效率取86%。二者均采用60 MW抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率45%進(jìn)行核算[7]。

1. 4. 2 能量的消耗

根據(jù)QB/T 1022—2021《制漿造紙企業(yè)綜合能耗計(jì)算細(xì)則》，紙漿能耗統(tǒng)計(jì)范圍包括紙漿主要生產(chǎn)系統(tǒng)：制漿單元、堿回收單元、廢水處理單元中的電能及熱能。由于堿回收單元的工藝差異，通過回用黑液燃燒的熱能減少熱電聯(lián)產(chǎn)的蒸汽熱能輸入，故而需對(duì)黑液的熱能回收進(jìn)行核算。

1. 5 CO2的排放分析

制漿造紙行業(yè)的碳排放核算方法主要有實(shí)測(cè)法、排放因子法及生命周期評(píng)價(jià)法[13]。本研究是基于能源結(jié)構(gòu)及制漿工藝的變化對(duì)CO2排放的分析研究，所以不能采取單一的排放因子法進(jìn)行核算，而需根據(jù)碳排放路徑作量化統(tǒng)計(jì)[15]?；诖?，本研究使用《中國(guó)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（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《報(bào)告指南（試行）》） 中對(duì)化石燃料燃燒造成的排放、生產(chǎn)過程排放量、廢水處理產(chǎn)生的碳排放核算方式。而《報(bào)告指南（試行）》中對(duì)碳排放的核算不包括生物質(zhì)排放，該部分將單獨(dú)進(jìn)行核算。計(jì)算方式分別見式（1）～式（5）。

式中，ADi為年度內(nèi)第i 種燃料的活動(dòng)水平，GJ；EFi為第i 種燃料的CO2排放因子，t CO2/GJ；i 為燃料類型代號(hào)。

ADi = NCVi ? FCi （2）

式中，NCVi為年度內(nèi)第i 種燃料的平均低位發(fā)熱量，固體或液體燃料，GJ/t；氣體燃料，GJ/Nm3。FCi為年度內(nèi)第i 種燃料的凈消耗量，固體或液體，t；氣體，Nm3。

式中，CCi為第i 種燃料的單位熱值含碳量，t C/GJ；OFi為第i 種燃料的碳氧化率，%；44/12為碳和CO2間的換算系數(shù)。

E過程= L ? EF石灰（4）

式中，E 過程為核算和報(bào)告年度內(nèi)的過程排放量，t CO2；L 為核算和報(bào)告年度內(nèi)的石灰石原料消耗量，t；EF 石灰為煅燒石灰石的CO2 排放因子，EF 石灰取值0.405 t CO2/t石灰石。

EGHG?廢水= ECH4?廢水? GWPCH4 ? 10-3 （5）

式中，EGHG-廢水為厭氧處理過程產(chǎn)生的CO2排放當(dāng)量（t CO2e）；GWPCH4 為甲烷的全球變暖潛勢(shì)值，根據(jù)《省級(jí)溫室氣體清單編制指南（試行）》，取值為21。

1. 6 數(shù)據(jù)收集

本研究采用廣西某常規(guī)堿法制漿聯(lián)合工廠的核算邊界一致的蒸煮參數(shù)與設(shè)備功率。因2種工藝的主要區(qū)別在于能源結(jié)構(gòu)及黑液的處理，故而著重于收集不同能源結(jié)構(gòu)的能源效率與燃料碳含量數(shù)據(jù)，以及不同黑液處理所需要的物質(zhì)與相關(guān)設(shè)備的有效功率。關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2. 1 能耗計(jì)算與分析結(jié)果

2. 1. 1 常規(guī)堿法制漿廠的能耗情況

常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)堿法制漿廠的能源主要依靠燃煤鍋爐，為制漿單元、堿回收單元、廢水處理單元提供蒸汽熱及電能。制漿單元能量消耗主要包括蒸煮所需蒸汽及設(shè)備電耗；堿回收單元的能耗主要為五效蒸發(fā)系統(tǒng)中將稀黑液濃縮為濃黑液所需蒸汽與黑液燃燒爐所需蒸汽以及所有設(shè)備所需電耗；廢水處理單元為設(shè)備運(yùn)行的電耗。基于制漿廠的制漿工藝流程和物流平衡，對(duì)700 t/天化學(xué)漿的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行了能量流動(dòng)的計(jì)算。制漿造紙廠的能源統(tǒng)計(jì)情況如表3所示。能耗核算清單見補(bǔ)充材料2（見增強(qiáng)出版電子版）。

2. 1. 2 A-D-E-RC法制漿廠的能耗情況

A-D-E-RC法聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)制漿廠的能源主要依靠生物質(zhì)鍋爐，通過燃燒生物質(zhì)得到的蒸汽熱及電能應(yīng)用于各生產(chǎn)階段。在A-D-E-RC法制漿工藝中的堿回收工段不再進(jìn)行黑液的多效蒸發(fā)濃縮及燃燒，且取消了綠液的苛化及石灰再生環(huán)節(jié)。通過對(duì)各單元能耗進(jìn)行核算總結(jié)，所得能耗核算清單見補(bǔ)充材料2，能耗情況詳見表4。

由表4可知，常規(guī)堿法制漿聯(lián)合廠能量總輸入為11 100 544 MJ， 生產(chǎn)能量消耗為9 603 406 MJ； 而A-D-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)廠能量總輸入為10 876 551 MJ，生產(chǎn)的能量消耗為7 032 285 MJ；相比之下，后者可在供給端節(jié)約能源2.0%，在消耗端節(jié)約26.8%能耗。根據(jù)GB 31825—2024《制漿造紙單位產(chǎn)品能源消耗限額》中規(guī)定對(duì)單位產(chǎn)品能耗按式（6）計(jì)算。

e = E ? pi／m （6）

式中，e 為單位產(chǎn)品能耗，kgce/Adt；E 為消耗的總能量，MJ；pi為能源折算系數(shù)，此處為熱量折算標(biāo)煤系數(shù)，取pi值為0.3 412[19]，kgce/MJ；m 為紙漿的產(chǎn)量，Adt。

經(jīng)計(jì)算， 常規(guī)堿法制漿的單位產(chǎn)品能耗為468.09 kgce/Adt；A-D-E-RC法制漿的單位產(chǎn)品能耗為342.77 kgce/Adt。

盡管，燃煤鍋爐的熱效率略高于生物質(zhì)鍋爐，但由于化石資源的不可再生及常規(guī)黑液堿回收的高能耗制約了制漿造紙產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。而生物質(zhì)鍋爐的熱效率已高達(dá)86%，且我國(guó)通過技術(shù)改革明顯提升生物質(zhì)鍋爐的熱電效率。通過A-D-E-RC法改進(jìn)堿回收工序，可以回收木質(zhì)素并應(yīng)用到生物質(zhì)燃料中，不僅節(jié)約了能源還提升了副產(chǎn)物的應(yīng)用價(jià)值。

2. 2 碳排放計(jì)算與分析結(jié)果

根據(jù)1.5 碳排放核算公式與補(bǔ)充材料1的物料平衡和GB 31825—2024《制漿造紙單位產(chǎn)品能源消耗限額》，分別核算2種制漿聯(lián)合工廠的CO2排放情況。排放統(tǒng)計(jì)見表5和表6。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，700 t/天化學(xué)桉木漿的常規(guī)堿法制漿廠將產(chǎn)生1 756.45 t CO2， 其中生物質(zhì)碳排放占比51.2%，單位產(chǎn)品的CO2 排放量為2.51 t CO2/Adt；而相同產(chǎn)量下，采用A-D-E-RC法的聯(lián)合生物質(zhì)鍋爐的制漿廠將產(chǎn)生1 202.25 t CO2，其中93.6%為生物質(zhì)碳排放，單位產(chǎn)品的CO2排放為1.72 t CO2/Adt。相比之下，采用A-D-E-RC法聯(lián)合生物質(zhì)鍋爐的制漿廠碳排放可減少31.6%，具有明顯的CO2減排效益。

由上述分析可知，減排效益是基于在能源結(jié)構(gòu)的變化和制漿工藝的改善。常規(guī)堿法制漿的熱電聯(lián)產(chǎn)單元的燃煤鍋爐以燃燒煙煤為主；此外，還有燃燒油輔助黑液燃燒，設(shè)備運(yùn)行過程中使用柴油，這都將導(dǎo)致大量的碳排放。生物質(zhì)鍋爐則通過燃燒由木皮及粗木質(zhì)素組成的生物質(zhì)燃料塊獲得能量，且均為綠色碳排放。在制漿工藝中，A-D-E-RC法制漿工藝通過對(duì)黑液的酸化-結(jié)晶-電解逐級(jí)分離的方式實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)物的最大化回收和利用，且取消了常規(guī)堿回收中黑液的大量燃燒、綠液苛化、石灰石煅燒大量排放CO2工段。因此，采用A-D-E-RC法聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)的制漿廠降低了CO2大量排放。

3 結(jié) 論

本研究通過建立模型與模擬計(jì)算，驗(yàn)證了采用AD-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能減排效果。

3. 1 采用A-D-E-RC 法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)工廠，比常規(guī)堿法制漿聯(lián)合燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)工廠降低了26.8%總能耗，其中，堿回收單元減少的蒸汽消耗使得能耗下降最多，降低比例為51.2%。盡管總能耗下降的幅度不小，但堿回收單元增加了電能消耗，而熱電轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)不及熱效率，導(dǎo)致在供給端的能耗差異并不明顯。且酸化黑液得到的粗木質(zhì)素可以加入生物質(zhì)燃料中，作為能源使用。可進(jìn)一步通過生物質(zhì)精煉或氣化提高能源效率后應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)系統(tǒng)，該策略有待持續(xù)研究。

3. 2 采用A-D-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)的單位產(chǎn)品碳排放量比常規(guī)堿法制漿聯(lián)合燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)工廠的碳排放量下降了31.6%，單位產(chǎn)品的CO2排放為1.72 t CO2/Adt，且93.6% 為生物質(zhì)碳排放。綜合分析，采用A-D-E-RC法制漿聯(lián)合生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)具有顯著的節(jié)能減排效應(yīng)，為促進(jìn)制漿聯(lián)合企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供新的策略。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金“A-D-E-RC法廢液循環(huán)制漿工藝的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及其節(jié)能減排效應(yīng)研究”（22368007）。