发展低碳造纸工业的几点思考

刘焕彬 李继庚 陶劲松

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

发展低碳造纸工业的几点思考

刘焕彬 李继庚 陶劲松

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

讨论了发展低碳造纸工业的几个问题,包括为什么要发展低碳造纸工业,低碳造纸工业的发展模式与标准,造纸工业产品的碳排放强度计算,造纸工业的碳源与碳汇计算,林纸一体化与低碳造纸企业以及重点低碳技术的研发建议。

低碳造纸工业;碳排放强度;碳源;碳汇;低碳技术

为了人类的可持续发展和应对全球气候变暖问题,发展低碳经济已成为全球的共识。2009年 11月国务院常务会议决定,到 2020年,我国单位 GDP碳排放强度比 2005年要下降 40%～45%,无碳 (清洁)能源比例要达到 15%左右,森林面积和蓄积量分别比 2005年增加 4000万 hm2和 13亿 m3,而且把上述目标作为约束性指标纳入 “十二五”规划。为此,国家要积极发展低碳经济和循环经济,研发和推广低碳技术,制订国内低碳经济统计、监测、考核办法。“十二五”期间,我国将加大节能减排和控制“低碳”的力度,所有高能耗和高碳排放量的产业(包括造纸产业)都会面临巨大的“低碳”压力。

1 主动发展低碳造纸工业[1]

我国必须着力发展低碳经济有以下 3个理由：

(1)人类可持续发展的需要。自工业革命以来,人类大量使用化石燃料,排放的 CO2等温室气体引起温室效应,从而使地球变暖。近百年来,全球平均地表温度上升了 0.74℃,海平面约上升 0.17 m,并且近 50年中极端天气气候事件频频发生,这些事件明显地威胁到全球的生态平衡,危及人类的生存和繁衍,引起了国际社会的高度关注。专家预计,如此发展下去,未来 20年,气温大约以每 10年 0.2℃的速度升高。应对全球变暖,就要各国共同行动,从根本上大幅削减 CO2等温室气体的排放量,于是 “低碳经济”应运而生。低碳经济是指经济发展低碳化,即经济发展过程中少用化石能源和资源,减少 CO2排放量,以实现可持续发展。

(2)进入经济全球化和适应市场竞争的需要。我国的经济 (包括造纸工业)已融进了经济全球化的大家庭。发达国家在倡导低碳经济的同时,正在积极地为开征 “碳关税”、实施国际贸易 “碳壁垒”做准备。欧盟正在制订“碳关税”等碳壁垒政策和立法。国际市场的碳壁垒己经开始产生影响,如苹果、乐购、沃尔玛等欧美巨头已要求我国的供应商在产品上要有 “碳标签”,要进行 “碳盘查” (生产企业是否有碳排放量清单,是否达到国外的碳排放量标准)。因此,发展中国家的高碳产品要进入发达国家,要么被征收高额的碳关税,要么难以进入国际市场。专家估测,实施碳关税后,我国出口产品的关税将平均增加 10%以上。另外,实施低碳,节能减排,企业的产品成本将会下降,将获得可观的经济效益。

(3)国家在世界政治博弈中的需要。近年来,“低碳”已成为以美国为代表的发达国家争利的政治大棒,低碳暗战,已暗流汹涌。我国能耗 “被第一”,发达国家对我国布下减排的天罗地网,企图用低碳大捧扼制我国的发展。

低碳经济是低碳发展、低碳产业、低碳技术、低碳生活等经济形态的总称。作为与国民经济发展密切相关且被认为是高能耗的造纸工业,必将 “被低碳”。我们必须主动而不是被动地适应低碳经济,适应市场竞争,积极主动地发展低碳造纸工业。

2 低碳造纸工业的发展模式与标准

当前,国际上虽然尚未有统一的低碳评价指标体系,但有 2个评判原则和 3个计算标准被普遍认可。

2.1 2个评判原则

2个基本评判原则是既要发展,又要低碳,即发展要低碳,低碳为发展。低碳分为相对低碳和绝对低碳两种。绝对低碳是指碳排放量实现零增长或负增长,相对低碳是指碳排放量的增长速率低于 GDP的增长速率。发展低碳经济过程中,一个国家在 GDP增长的同时,必须减少碳的排放量。一个产业在增产保质的同时,必须减少生产过程的碳排放量。

2.2 3个计算标准

第一个计算标准是碳汇率,所谓碳汇率 (carbon-sinks ratio)就是一个企业 (或一项生产)的碳汇 (carbon-sinks,碳吸收和储存量)与碳源 (carbon-source,碳产生和排放量)之比。如果企业的碳汇率大于或等于 1,则该企业运行和发展过程中无碳排放,是绝对低碳企业。

式中：Rsinks为碳汇率; Csinks为碳汇; Csource为碳源。

第二个计算标准是碳排放强度,即单位 GDP的碳排放量或单位产品的碳排放量。

第三个计算标准是碳生产率,即单位碳排放量所产生的效率。

碳排放强度指标主要是用来衡量一个国家 (地区)或企业经济增长同碳排放量增长之间的关系,如果在经济增长的同时,单位国民生产总值所带来的CO2排放量下降,那么说明该国 (地区)就实现了低碳的发展模式。同理,如果一个企业在产品产量增长的同时,单位产品的 CO2排放量下降,那么说明该企业也实现了低碳的发展模式。因此,发展低碳经济不是限制高能耗产业 (如钢铁、石化、造纸等产业)的发展。只要这些产业是国民经济发展需要的,而且技术水平处在国际先进水平或国内领先水平,在产品产量增长的同时,单位产品的 CO2排放量下降,就符合低碳经济发展模式的要求。

要强调的是,某企业从纵向比方向考虑,可能已走向了低碳的发展模式,即产品的碳排放强度下降,但是不一定能通过国家的考核,产品也不一定能出口到发达国家。这是因为国家会制订产品碳排放强度的限制性指标,国际上有些国家会制订必须达到的产品碳排放强度指标。

3 造纸工业产品的碳排放强度计算

从式 (1)～式 (5)可以看出,造纸工业产品的碳排放强度,是评判造纸企业是否符合低碳造纸工业发展模式的重要数据和前提。当前,迫切需要开展相关碳减排的计算和评价方法的研究,为我国造纸工业减排方案论证和实施提供决策支持。其中,建立和使用正确的 CO2排放量计算方法是进行碳源和碳汇匹配以及制订减排方案的重要依据。

CO2排放量的计算方法可以分为 IPCC系数法和物料衡算法两大类[2-4]。

IPCC系数法是联合国政府间气候变化专门委员会 (The Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)提出的计算方法。其特点是采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》推荐的排放因子数值去计算 CO2排放量,方法简单,常用于统计计算。

IPCC系数法的 CO2排放量计算如式 (6)和式(7)所示。

式中：QCO2为 CO2排放量 (kg);Ei为某种燃料能源的消费总量 (TJ);Ki为某种燃料能源的 CO2排放因子 (kg/TJ),Ki包含碳氧化因子,假设为 1;E为燃料能源的消费总量 (TJ),化为标煤计算;K为标煤的 CO2排放因子 (kg/TJ),K包含碳氧化因子,假设为 1。

《2006年 IPCC国家温室气体清单指南》给出了工业能源中主要燃料的 CO2排放因子,如表 1所示。

表1 工业能源中主要燃料的 CO2排放因子

根据式 (7)可计算出燃烧每吨标煤排放的CO2量：

有文献用碳排放量为单位 (tC/tce)进行统计计算,它们的互算关系式为：

上述算法虽然简单方便但忽略了燃烧过程中留在灰烬、颗粒或烟灰中残留的碳,并假定燃料中含的碳完全氧化 (碳氧化因子等于 1),而且表 1中所列CO2排放因子是国外机构根据国外的电厂及燃烧情况研究出来的,与我国国情不是完全相符,这种国际化的 CO2排放因子计算只可参考使用。

IPCC考虑到各国使用的燃料类型、成分、燃烧条件、负载、控制技术和技术设备发展状况等多种情况不同,允许各国指定本国的 CO2排放因子,代表本国的评价排放水平。这样更加符合本国国情,计算的 CO2排放量更加准确和合理。但我国目前还未有统一的计算 CO2排放源强度的方法,还未确定符合我国国情的 CO2排放因子。因此,需要进一步对我国各行业集中 CO2排放源进行详细调查和总结,使CO2排放因子更加合理。为统计我国 CO2排放量和制订减排措施提供可靠依据,国家发改委能源研究所推荐的碳排放系数为 0.67 tC/tce(2.46 t CO2/tce)。日本能源经济研究所推荐值为0.68 tC/tce,美国能源部能源信息署推荐值为 0.69 tC/tce。该系数与火电厂的发电煤耗息息相关,发电煤耗降低,CO2排放系数自然也有所降低。笔者认为,根据我国造纸企业热电联供锅炉的热效率现状,在国家未有统一规定之前,使用 2.30 t CO2/t标煤 (0.63 tC/tce)为当前造纸工业的 CO2排放因子去计算 CO2排放量可能比较合理。

某造纸厂年产 36万 t涂布白纸板,其吨纸综合能耗为 0.48 tC/t纸,则该厂的 CO2排放强度为：

0.48(tC/t纸 ) ×2.3(tCO2/tce)=1.104(tCO2/t纸 )。

该厂每年 CO2排放总量为：

1.104(t CO2/t纸 ) ×36(万 t纸 /a) =39.74(万t CO2/a)。

用国际标准 (碳排放系数 2.55 t CO2/tce)计,则该厂每年 CO2排放总量为：

0.48×2.55×36=44.06(万 tCO2/a)

如果用物料衡算法计算 CO2排放量,结果较准确,但计算过程较复杂,可在企业内需要较准确的数据时使用[4]。

4 林纸一体化与低碳造纸企业

纵观国内外研究结果可知[5]： (1)可再生木材资源是今后人类充分依赖的资源,木材、纸和纸板是可再生和可循环使用的产品,林产和制浆造纸工业可以扩大生物质能源的使用,减少对化石燃料的依赖,减少 CO2的排放量。 (2)木材和纸制品在碳循环过程中是储碳的载体,具有碳储存 (碳汇)效果。其碳储存作用可以减少的 CO2排放量。 (3)在木材的生命周期内,林地剩余材、加工剩余材、产品废材及循环利用材等林产品,以及制浆造纸业等林产工业所产生的废弃物,如黑液、边皮木屑等都可有效利用为生物质能源,替代化石燃料。因此,现代先进的制浆造纸工业可能是一种典型的低碳工业。

林纸一体化的现代制浆造纸工业是否能成为一种绝对低碳产业?

林纸一体化的企业系统中碳源和碳汇流见图 1,用式 (9)～式 (11)可计算出其碳源和碳汇。

式中：Csource A为企业外供化石能源排放的碳;

Csource B为企业内植物生物质腐烂排放的碳;

CsourceC为回收企业内生物质能源 (树皮、黑液等)排放的碳;

CsinksA为企业林场树木生长吸收的碳 (固碳);

CsinksB为纸和纸板中可存储的碳。

图1 林纸一体化企业碳流图

绝对低碳造纸企业的唯一条件是碳汇率等于或大于1。

典型案例：W.A.Côté等[6]用数学模型对位于美国德克萨斯州的德克萨卡纳 (Texakana)造纸厂的从森林培育到制浆造纸整个产业链 (林纸一体化)的碳平衡进行了详细的计算和分析。该纸厂用 59%阔叶木和 41%针叶木制浆,生产漂白浆和纸杯纸,成纸以卷筒的形式送至各个地区生产牛奶、果汁纸盒以及各种纸杯。此纸厂的规模较大,年消耗绝干木材原料约 130万 t,年产纸量 55.7万 t(以绝干计)。该厂的能量转换设备有 2台动力锅炉和 2台余热锅炉,消耗的能源主要为生物质燃料 (树皮和制浆黑液)。根据提供的相关数据,整理出该厂的碳汇及碳源数据,如表 2所示。

根据式 (9)～式 (11)和表 2数据计算出该企业碳汇率：

表2 德克萨卡纳造纸厂的碳汇及碳源数据 万 tC

从自然生态学角度分折,生物质燃料燃烧产生的CO2是自然界植物光合作用吸收后可循环的,而产生温室效应的温室气体主要是由化石燃料产生的 CO2。根据京都协议的核算规则,在统计碳排放量时不统计生物质燃料的碳排放量。因此,增加生物质燃料的比例,减少化石燃料,也就减少了碳排放的统计量。因此,按京都协议的核算规则,该企业的碳汇率为：

Rsinks=Csinks/Csource=150.8/(97.3-41.0)=2.68

计算结果表示,该企业碳汇率大于 1,过程中被固定的碳比排放的碳多,是典型的绝对低碳企业。从图 1和计算过程可知,林纸一体化企业要成为绝对低碳企业要具备 2个基本条件： (1)必须有满足生产纸浆需求的足够林业基地。本案例中,其林业基地有按 3.5年成林计算的森林面积。因为成长中林木的固碳作用是企业的主要碳汇。 (2)必须有充分利用树皮、木屑、黑液和污泥等生物质能源的技术装备,减少化石能源消耗。案例中,由生物质腐烂造成的碳排放的比例较高,如能充分利用其转变为生物质能源(如回收沼气、污泥中的能源等),可进一步减少化石能源的消耗量。

上述计算和分析表明,国家应大力支持发展林纸一体化造纸企业。这不仅可加大林业的投资,有利于完成增加森林面积的任务,而且可以促进可持续林业(固碳林)的发展和林业的相对经济优势;不仅可以增加我国木浆产量以加速造纸工业的发展和增加纸制品的碳储存,而且可以增加生物质能源的利用。总之,发展林纸一体化造纸企业是国家发展低碳经济过程中一举四得的措施。

5 相对低碳造纸企业的碳平衡计算

我国大多数造纸企业是用浆板或废纸造纸。废纸造纸企业的碳流图见图 2。碳平衡、碳源与碳汇的计算如式 (12)～式 (24)所示。

5.1 碳平衡计算

己知纸和纸板产量为 GP(按单位纸和纸板产量,即吨纸和纸板计),则由碳平衡得：

其中,Gp为单位纸和纸板产量 (t);Gw为废纸用量 (t/t纸);kC1为废纸碳含量 (tC/t纸);kC2为纸和纸板碳含量 (tC/t纸);k1,k2分别为制浆和造纸得率 (%);k3为废弃物中已利用的生物质能量的比例 (%);C1为废纸带入系统的碳量 (t);C2为制浆废弃物中的碳量 (t);C3为废纸浆中的碳量(t);C4为造纸废弃物中的碳量 (t);C5为纸制品中的碳量 (t);C6为废弃物中的总碳量 (t);C7为废弃物中已利用生物质能量的碳量 (t);C8为腐烂废弃物中的碳量 (t);Ein为生产过程中消耗的化石(外供)能源量 (tce/t纸)。

5.2 碳源的计算

由图 2可知,过程的总碳源有 3个,即外供化石能源的碳排放 (0.69Ein,按燃烧吨标煤的排碳量为0.69 t的国际标准计)、废弃物已用的生物质能源的碳排放 (C7)和废弃物腐烂的碳排放 (C8)：

根据京都协议计算原则,生物质燃料产生的碳排放不计入碳源,则造纸过程的碳源为：

由式 (21)和式 (22)可知,减少造纸过程碳排放的主要措施有 2个：①提高能源利用率,减少化石能源消耗;②增加废弃物中生物质能源的利用比例,既可减少化石能源的碳排放,又可减少腐烂的碳排放。

5.3 碳汇的计算

用废纸为原料的造纸过程的碳汇计算稍为复杂。根据《2006年 IPCC国家温室气体清单指南 (第三卷)》纸和纸板使用的半衰期为 2年,可以认为用于造纸的废纸中的碳含量如果不用于循环造纸,则当年将有 1/4废纸中的碳含量会通过腐烂或其他形式成为碳排放 (碳源),另外 3/4仍处于碳存储 (碳汇)阶段。但是用废纸造纸的纸和纸板中碳含量则全部为碳存储 (碳汇)状态。据此,用废纸为原料的造纸过程的碳汇可用式 (23)计算：

5.4 计算案例

某纸厂用 100%废纸生产新闻纸,吨纸能耗(Cin)为 0.3 tce/t纸,设废纸与纸和纸板中碳含量kC1=kC2=0.5 tC/t纸,废纸制浆得率 k1=85%,造纸得率 k2=98%。设废弃物中生物质能源利用比为30%,则该造纸过程的单位纸和纸板产品总碳源为：

不计生物质能源排碳量则为：

该造纸过程的单位纸和纸板产品总碳汇为：

6 发展低碳造纸工业的关键

从国家层面上讲,主要通过两个途径和四大举措发展低碳经济以减少大气中 CO2含量,如图 3所示。通过增加可再生 (新)能源 (太阳能、水能、风能、核能、生物质能等)的比例和节能减排等措施,减少向大气中排放化石燃料产生的 CO2量,即减少碳源。通过增加森林面积与木材蓄积量把大气中的 CO2储存在树木中 (生物固碳)和通过固碳技术把 CO2储存起来,即增加碳汇。

图3 发展低碳经济的途径和举措

造纸工业与国家实施低碳经济的四大举措都有关系。林纸一体化有利于固碳林的建设和发展,纸和纸板是一种储碳产品,在满足了社会各种需求的同时储存了碳。制浆造纸过程中,在利用植物纤维造纸的同时,可充分利用生物质能源,减少化石能源的使用。

为了低碳造纸工业的构建和发展,笔者建议国家在“十二五”规划中重视和支持下述造纸低碳技术的研究开发：

(1)研究和制订造纸企业能量系统和碳足迹的计算和诊断方法。笔者在对造纸企业能量系统和碳足迹的计算方法所做的初步探讨过程中发现,在计算方法和参数的选取上还有许多需要深入研讨的课题。

(2)制浆造纸过程中,研究和开发生物质剩余物 (树皮、木屑、黑液、污泥、沼气等)能源的高效转化和利用技术,特别是污泥脱水和利用技术,增大生物质能源替代化石能源的比例。

(3)应用低碳经济和循环经济学原理与物料、能量与碳综合衡算方法,重新审视草类制浆,特别是农业废弃物 (稻草、麦草、蔗渣)制浆的利弊。研发相关技术,突破关键技术,适当发展草类制浆,以适应我国造纸工业不断发展原生浆的需要。我国非木浆在总浆耗中以及在原生浆中的比例分别为 18%和66%。经过我国科技工作者 50多年的科学研究和工业实践,草类制浆已有深厚的技术积累[8]。我国有丰富的稻麦草原料,这些农业废弃物已成为碳排放源之一,将其用于制浆造纸不仅有利于提高农民收入,还有利于碳存储增加碳汇,减少碳排放,有利于造纸工业的发展。

(4)研发造纸工业低碳发展和节能减排的关键共性技术。节能减排是发展低碳造纸工业的重要抓手。节能减排关键技术和共性技术的突破,将推动造纸行业的发展,受益面广,还将带动一批新的产业发展。造成我国造纸工业能耗高的主要原因有：①能量使用的优化程度较低;②工艺和设备技术较落后。造纸工业节能减排的技术创新和开发工作应该从下述两个方面开展：①研发造纸企业能量系统诊断与集成优化和过程智能控制信息化技术,包括应用“三环节”理论,研发造纸过程能量系统诊断与综合优化技术与平台,研发面向过程优化控制系统的集成优化信息系统,协调集成局部过程优化控制系统,实现企业横向的能量系统全局优化控制,集成管理信息系统和过程控制系统,实现企业纵向的能量系统优化管理和优化节能。②研发造纸企业节能工艺装备关键共性集成技术,包括热、电、冷三联供优化耦合技术,蒸汽动力系统能量梯级 (多级)利用技术;能量三环节(能量转换环节、利用环节和回收环节)之间各级能流的耦合与最优匹配技术;低位能能量的利用技术;低能耗工艺与装备技术;过程余热回收技术等。

随着低碳经济的推动和发展,我们应该用低碳经济的理念、站在低碳经济的高度审视我国造纸产业,赋予新的概念和认识,构建低碳造纸产业发展模式,推动制订有利于发展低碳造纸产业的政策法规。应该加强产学研结合,研究开发造纸产业的低碳和节能减排共性关键技术,提高低碳和节能减排技术水平,使我国造纸工业真正成为低碳行业,为发展低碳经济作出贡献。

[1] 联合国开发计划署.中国人类发展报告：迈向低碳经济和社会的可持续未来[R].北京：中国对外翻译出版公司,2010.

[2] 联合国政府间气候变化专门委员会.2006年 IPCC国家温室气体清单指南(中文版)[R].日本全球环境战略研究所,2006.

[3] 国家发展改革委应对气候变化司.关于公布 2009年中国区域电网基准线排放因子的公告 [R/OL].http：//xmecc.xmsme.gov.cn/2010—8/2010831103404.htm.

[4] 尹晓娜,王 波,李 冬,等.温室气体 CO2排放源强计算方法探讨[C]//中国环境科学学会 2010年学会年会.上海,2010.

[5] 刘焕彬.低碳经济视角下的造纸工业节能减排[J].中华纸业,2009,30(12)：10.

[6] Côté W A,Young R J,Risse KB.A Carbon Balance Method for Paper and Wood Products[J].Environmental Pollution, 2001,116：81.

[7] Kenneth Mollersten,Lin Gao,Jinyue Yan,et al.Efficient Energy Systems with CO2Capture and Storage from Renewable Biomass in Pulp and Paper Mills[J].Renewable Energy,2004,29：1583.

[8] 李忠正.我国近年草类原料制浆技术进步之我见[J].中国造纸学报,2010(增刊)：25.

(责任编辑：陈丽卿)

Some Thought on Developing Low-carbon Paper Industry

L IU Huan-bin＊L IJi-geng TAO Jin-song
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)( ＊ E-mail：hbliu@scut.edu.cn)

The issue about how to develop low-carbon paper industry are discussed,the reason of developing low-carbon paper industry,the model and standard of low-carbon paper industry,calculation of the carbon emission intensity of paper products,calculation of the carbon source and carbon sinks of paper industry;effect of integrated forest-paper industry on low-carbon paper industry are included.Finally research and development of the key technologies for low-carbon paper industry are proposed.

low-carbon paper industry;carbon emission intensity;carbon-source;carbon-sinks;low-carbon technologies

TS7

A

0254-508X(2011)01-0051-06

刘焕彬先生,教授,博士生导师,俄罗斯工程院外籍院士;主要从事制浆造纸工程、过程数学模型和计算机模拟、清洁生产和节能减排等方向的教学与科研工作。

2010-10-10