麦草造纸碳足迹算法及低碳路径研究

麦草造纸碳足迹算法及低碳路径研究

张 欢 张 辉＊（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室, 江苏 南京, 210037）

探讨了麦草造纸业碳足迹及碳汇率计算方法；进而辅以国内典型规模与技术水平企业麦草产文化用纸生产线（40 t/d）为例,计算其碳汇率；最后提出提高我国麦草造纸碳汇率的路径。研究结果表明，造纸业碳足迹计算适用于生命周期法；我国典型企业麦草产漂白文化用纸线（40 t/d）的吨纸碳排放量的CO2为2 072．5 kg，碳汇率为0．78；企业须加大生产规模至80 t/d以上、采用节能高效先进生产工艺与装备降低碳排量，可实现麦草造纸碳汇率大于1．0。

制浆造纸 麦草 碳足迹 碳汇率 低碳路径

温室效应对人类的巨大危害促使全球发展低碳经济与低碳产业。作为国民经济重要支柱产业之一的造纸业以植物纤维作为原料，一方面生产过程涉及到大量生物质消耗与生物质能源、化石能源以及添加化学品，另一方面排出大量温室气体（GHG），使该产业碳足迹计算具有复杂性和典型性，成为国际关注的焦点，因此需要研究造纸碳足迹，以便发展低碳造纸技术。造纸业发达国家（如美国、加拿大、日本、芬兰、瑞典等）对林浆纸一体化造纸过程进行了碳足迹研究，为发展低 碳造纸业提供了理论依据，但均为木材原料造纸。我国作为农业大国，且森林资源匮乏，基本国情决定了我国造纸业以草类为原料的占有一定比例。作者以国内典型规模和技术水平的麦草产漂白文化用纸的造纸企业为研究对象，探讨了草类原料造纸碳足迹及碳汇率的算法，进一步采用生命周期法LCA（Life Circle Assessment）计算其碳足迹与碳汇率，对国内外草浆造纸企业碳足迹评估和低碳路径研究制定产业政策，以及推进低碳麦草造纸技术产业均有一定的指导作用。

1 麦草造纸碳足迹计算工具

1.1 麦草造纸碳足迹评价标准的确定

很多国家和地区根据本国本地区的具体情况编制相应的碳足迹计算标准，如：我国江苏省就在着手制定《省级温室气体清单编制指南》。针对家庭或个人的碳足迹，可以直接使用“碳足迹计算器”来计量，但只针对简单个体且计算不精确系统。如今各国各行业都在进行碳足迹的计算评估，目前国际虽然没有形成统一的碳足迹评价标准，但基本被认可的标准[1]主要见表1。

表1所列的几种评价标准是针对国家层面的宏观碳足迹计算标准，国与国之间的“碳交易”制度[2]，如：清洁发展机制（CDM）、联合履行机制（JI）以及排放贸易机制（ET），均依托表1所列的评估标准。目前国际上主要关注的碳足迹评估标准为碳信托(Carbon Trust)和英国环境食品农业部门委托英国标准协会（BSI）所指制定的PAS 2050 产品和服务生命周期温室气体排放评估标准。本文的碳足迹计算使用表1中所列的标准。

1.2 麦草造纸碳足迹计算公式和单位的确定

（1）碳足迹计算公式的确定。如1.1节所述，碳足迹计算器只适用于简单个体系统且精确度不高，本文不予采用。对于复杂系统，目前普遍使用的碳足迹计算方法有两种。

①是流程分析法（PA）[3]。流程分析法从产品端向源头追溯，连接与产品相关的各个单元过程（包括资源、能源的开采与生产、运输、产品制造等），建立完整的生命周期流程图；再收集流程图中各过程单元的GHG排放数据，并进行定量转换描述；最终将所有的GHG排放统一使用CO2作为表述单位。

表1 国际碳足迹评价标准Table 1 International evaluation standards of carbon footprint

②投入-产出法(I-O)[3]。投入-产出分析法从源头（原材料开采、农作物种植等）开始向后延伸，直至最终废弃。评价中使用国家层面各个部门（采矿、运输、产品制造、销售等）的平均数据，并通过将产品相关部门间的供应链强度相乘来计算整个系统的碳足迹。

以上两种方法均基于LCA。本文的研究边界为产品从原料到制浆再到成品纸，不包括产品出厂后的最终产品命运，因此采用PA来计算评价国内典型麦草制浆造纸企业的碳足迹（即碳排量）和碳汇率更为科学合理。

具体在计算碳排量时，计算公式[4]为：

（2）碳足迹计算单位及GHG评估范围的确定。在碳足迹计算时，文献中提到的GHG减排有指减排CO2，有指减排碳量（以C计算），两者结果有别，相差3.67倍。目前国际比较流行的是以CO2排放量来计算，基于此研究CO2的碳足迹计算方法和相应的评价指标。

《京都议定书》规定需要 监测统计的GHG排放量有6种：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）以及六氟化硫（SF6）。目前国际主要关注前3种。本研究也以这3种温室气体的排放量为研究对象。

计算GHG排放量时，以气体的质量（kg或t）为计算单位。由于最终结果需包括所有监测温室气体的排放总量，非CO2的GHG（如CH4、N2O）虽然排放量不大，但评估碳足迹时需要包含在最终的总排放量中。即使产生CH4和N2O的来源是生物质燃料，也不可忽略，因为CH4和N2O不参加大气层中CO2的循环。要对企业生产过程排放出的CO2、CH4及N2O进行加和，需将它们量化为统一的计算单位。由于CO2是人类生产活动产生的最主要的GHG，故以CO2（kg）作为量度温室效应的基本单位。对于CH4和N2O，在算出各自的排放量后，再乘以各自的全球变暖潜能值（Global Warming Potential）,最终得到的总CO2排放量进行加和。

GWP为“非CO2”GHG制定的以CO2计算的排放因子。本研究用到的GWP值[5]分别为CO2：1、CH4：21、N2O：310。根据不同的评价指标或标准，GWP值可能会有差异。本文以IPCC为准。

1. 3 麦草造纸碳足迹计算流程

碳足迹计算按图1所示流程进行。碳足迹的计算过程中最重要的是边界的确定。不同边界的划分会导致碳足迹计算结果的不同，本研究中根据典型企业调研获得的情况以及现实条件的限制划定了一个合理的计算边界。按过程分析法计算出各项碳排放量后绘制碳平衡图，以计算碳汇率。

图1 麦草造纸碳足迹计算流程图Fig.1 The flow chart of straw papermaking carbon footprint calculation

2 麦草造纸碳足迹案例评估

2.1 评估对象与目标

以国内典型具代表性生产规模与技术水平的日产40 t定量60 g/m2的麦草原料生产双胶纸的制浆造纸过程的碳足迹为研究对象，制浆方法采用碱法制浆。 设计其计算边界主要包括：从原料备料、制浆再到造纸这一过程引起的直接碳排放量（其中：生物质碳足迹以及其余间接碳排放不在计算边界内）。通过碳足迹计算，最终得出每吨 60 g/m2双胶纸排放GHG量（以CO2计）以及该生产线的碳汇率。

2.2 麦草造纸碳足迹评估数据

由式（1）可知，碳足迹评估主要需两大类数据：能产生GHG的活动数据以及相应的碳排放因子。本研究用到的活动数据大部分来自企业生产一线实际数据。碳排放因子主要为国际标准提供的缺省值；少部分是根据我国实际，查阅相关的能源统计数据获得，如：电力的碳排因子IPCC缺省值为0.991 kg /kWh[6]（以CO2计，以下未特别标注的碳排放均指CO2），我国推荐使用电力碳排因子[7]为0.997 kg /kWh。本研究使用后者。

2.3 麦草造纸碳足迹计算

（1） 蒸汽消耗的碳足迹计算。从该生产线现场获得的数据得知，制浆部分每天总耗汽量为32.4 t，其中：蒸煮工段耗汽23.6 t，洗涤筛选工段耗汽3.5 t，漂白工段耗汽5.3 t；造纸部分每天总耗汽96 t，主要用于干燥部，具体为预干燥部消耗23 t、后干燥部消耗62 t、在线制造添加化学品使用蒸汽11 t。该企业的蒸汽是由电厂燃煤锅炉产生，因此可以通过燃煤量来折合成对应的CO2排放量（IPCC直接将用煤量转化为CO2计算）。但具体电厂使用的煤量无法直接获得，因此通过式（2）间接计算获取用煤量。

蒸汽热焓值可以通过使用的蒸汽品质（生产线调研获取）查手册[8]得到。该生产线使用蒸汽的品质及查得的用煤量（以标准煤计）列于表2。

表2 日产40 t制浆造纸生产线蒸汽品质及用煤量Table 2 Steam quality and used coal in the 40t/d pulp and papermaking production line

下面以麦草造纸部分为例探讨因蒸汽消耗引起的CO2排放量的计算过程。

同样计算得制浆部分蒸汽消耗GHG排放量为12 299.6 kg /d，该生产线汽耗引起的总碳排放量为48 347.7 kg /d。

（2）耗电碳足迹计算。根据我国使用电煤品质及发电技术水平，用电的碳排因子为0.997 kg / kWh。该生产线制浆部分耗电为6 034.3 kWh/d，造纸工段耗电为28 623.8 kWh/d，由此可见造纸部分是用电主体。同样，根据IPCC的GHG计算工具计算得出：制浆部分耗电产生6 016.2 kg /d的碳排量，造纸部分耗电产生28 537.9 kg /d的碳排量。

（3）添加化学品碳足迹计算。整个制浆造纸过程使用的添加化学品种类很多，如：蒸煮漂白助剂、品蓝、AKD、CaCO3、Na2CO3等，碳足迹评估时主要考虑CaCO3和Na2CO3对温室效应的影响，因为这两种化学品有潜力排放CO2。该生产线在进入造纸机之前，高位箱部位使用的CaCO3为车间现场制作，属于直接排放，在边界范围内。制作原理为Ca(OH)2+ CO2= CaCO3+H2O。其制作过程中吸收的CO2等于其有潜力释放的CO2，故该过程的GHG排放量主要是制备过程耗用的电量，耗电引起的碳足迹已包括在（2）中。

（4）生物质能源碳足迹计算。制浆造纸过程涉及到的生物质能源种类很多，如：备料工段除去的草叶、穗、根等，蒸煮工段损失的纤维量（主要存在于黑液中），洗涤筛选以及漂白过程损失的纤维等都属于生物质能源。该生产线蒸煮后产生的黑液固含量16%左右，洗涤筛选损失的纤维量占草浆浆总量的0.25%，漂白总损失为5%，进一步可计算出对应的碳排量。但是在最终的GHG排放清单中应该将这些生物质能源产生的碳足迹和石化能源（电、煤等）产生的碳足迹分开计算，且生物质能源产生的碳足迹不包括在总的GHG排放量中，因为生物质能源产生的碳足迹参与大气中CO2的循环，即这部分碳排不会增加大气中本来CO2含量[6]。

综合以上计算结果，该日产40 t生产线的碳足迹为82 901.8 kg /d，即每生产1 t纸的碳排量为2 072.5 kg /d。

2.4 麦草造纸碳汇率计算

碳汇率指碳储存的质量与碳排放量之间的比值[9]。用于产品的碳汇率指标可以评价该产品的整个生命周期碳储存量和碳释放量的情况。本研究并未对该产品的整个生命周期进行评估，边界范围仅为从原料到成品的制造过程，但对国内草浆造纸企业的碳足迹评估结果的准确性没有影响，故计算结果对国内典型麦草原料造纸生产单线的碳足迹评估和低碳路径研究有参考价值。

通过碳平衡图的绘制可以很清晰地计算出碳汇率。该日产40 t双胶纸的制浆造纸生产单线碳平衡图见图2（图中数据单位为kg /d）。

图2 麦草造纸碳足迹碳流平衡图Fig.2 Carbon flow balance of straw papermaking carbon footprint

日产40 t双胶纸需消耗绝干草类原料40 t，备料工段除尘率10%，1 t原料可固定1.8 t CO2，即除尘后原料固碳量为64 800 kg。此外，备料工段还要除去一部分的根、叶等有机物，这部分属于生物质碳，因此不在计算范围内，整个边界范围的碳信用为64 800 kg。根据图2可以计算该生产线的碳汇率为0.78。

3 结果与讨论

计算结果表明，国内典型草浆产漂白文化用纸企业日产40 t的制浆造纸线每吨纸的碳排量CO2为2 072.5 kg ，碳汇率为0.78。即该产品在其制造过程中向大气中增排了CO2，不符合低碳造纸的要求，故须有合理的措施，使其碳汇率大于1。由碳汇率的计算公式得知，碳汇率的大小与原料固碳量以及生产过程碳排量直接相关。对于一个企业来讲，其原料是确定的，原料固碳量为定值，要使得碳汇率大于1，需降低生产过程的碳排放量，可从扩大单线的生产规模、采用新工艺这两个角度通过降低能耗来获得尽量低的碳排放量。

3.1 扩大规模效应

本文调研的生产单线规模较小（具有国内典型代表性），日产仅40 t/d，单位耗电量为866.45 kWh（以1 t纸计）。无论草浆、废纸浆还是木浆造纸部分其蒸汽耗量基本一致，均为随单线规模增加而单耗下降。故可从降低电耗角度考虑使得该典型生产线碳汇率为1.0时的生产规模。由图2得，若使该日产40 t的典型生产线碳汇率恰好为1.0，总碳CO2负债为64 800 kg/d，此时的电耗碳足迹为16 452.3 kg /d，即每产1 t纸耗电量为411.31 kWh,查相关文献[10-11]并计算该单位耗电量下生产线规模其产量为80 t/d。即当本文调研生产线规模扩大到80 t/d时，其造纸碳汇率为1.0。

3.2 采用新装备新工艺

在生产线的某个工段更换先进的设备可降低能源（电、汽）的耗用量。本文中的生产单线使用蒸球蒸煮（蒸球产能低，单位能耗较大）。若将其换成横管式连蒸器实现连续蒸煮，必能大大降低能耗，同时也能提高单线产量；用多盘磨代替传统圆盘磨浆机，选用组合复合筛节约能耗，增加热回收系统也是很好的减少一次能源耗用的措施；另外，采用中浓打浆或提高成型上网浓度，可以节电和减少干燥耗汽等。

4 结束语

对国内目前典型生产规模（40 t/d麦草产双胶文化纸生产线）和技术水平的草浆造纸企业制浆造纸线进行碳足迹算法评估研究，得出以下结论：

（1）麦草制浆造纸企业的碳足迹评估适合LCA的流程分析法，使用国际认可的碳足迹评价标准，以从原料制备制浆再到造纸这一生产过程为研究边界范围。

（2）评估边界范围内由于蒸汽消耗碳足迹为48 347.7 kg /d，电力消耗碳足迹为34 554.1 kg /d。

（3）得该典型生产线碳汇率为0.78，即产品在生产过程增加了大气中的CO2量。

（4）要使碳汇率≥1，可扩大其单线生产规模至80 t/d以上；或更换蒸球、圆盘磨等传统设备为横管连蒸器、多盘磨等实现节约能耗，或采用先进节水、节电、节汽工艺等。

[1] 蒋婷．碳足迹评价标准概述[J]．信息技术与标准化,2010(11):15-18．

[2] 李仁杰．浅谈由《京都议定书》产生的碳交易[J]．时代经贸,2010,157:5．

[3] 聂祚仁．碳足迹与节能减排[J]．中国材料进展,2010,29(2):61．

[4] Ruisheng Ng, Chee Wai Patrick Shi, Jonathan Sze Choong Low, Hui Mien Lee, Bin Son． Comparative Carbon Footprint Assessment of Door made from Recycled Wood Waste versus Virgin Hardwood: Case Study of a Singapore Wood Waste Recycling Plant[C]．Proceedings of the 18th CIRP International 629 Conference on Life Cycle Engineering, Technische Universitat Braunschweig, Braunschweig, Germany, May 2nd - 4th, 2011．

[5] Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)．2006 Guidelines for National Gmenho～e Gas Inventories(2006年国家温室气体清单指南)[M]．Geneva:IPCC,2006．

[6] GHG Calculation Tools for Pulp and Paper Mills -Report Version 1．1[M]． National Council for Air and Stream Improvement, Inc． (NCASI)． July 8, 2005．

[7] 碳足迹计算中碳排放因子怎么收集[OL]．http://zhidao．baidu．com/question/203145071．html?an=0&si=1

[8]夏清,陈常贵．化工原理[M]．天津:天津大学，2005：334．

[9] COTEA W A．YOUNGA R J．RISSEB K B,et al． A carbon balance method for paper and wood products[J]．Environmental Pollution 116 (2002) S1-S6．

[10]中华人民共和国国家统计局．中国统计年鉴2007[M]．北京:中国统计出版社,2008．

[11] 中国造纸学会．中国造纸年鉴2007[M]．北京:中国石化出版社,2008．

＊通讯作者：

张辉 教授；研究领域为制浆造纸节能减排与低碳技术、高速纸机运行状态监测与故障诊断技术；E-mail: hgzh@njfu．edu．cn参考文献：

[1]赵铨．气候变暖、低碳经济与企业的社会责任[C]．中国造纸学会第十四届学术年会论文集,2010-07-06．

[2]日本环境省．2011年度温室效应气体排放量速报值[OL],http://www．env．go．jp/press/ press．php?serial=16054．

[3]池田直树．日本环境自主行动计划2012年度跟踪调查结果[J]．《纸八°技志》，2013 (4)．

[4]森井博一．日本造纸工业可持续发展能源利用[C]，第三届亚洲浆纸工业可持续发展论坛，中国厦门，2012-10．

[5]胡锦涛在中国共产党第十八次全国代表大会上的报告

[R],http://www．wenming．cn/ xxph/sy/xy18d/201211/t20121119_940452．shtml．

作者介绍：张轶凡

通讯地址：山东省济南市历下区燕子山西路10-2号，邮政编码：250014

邮箱：2523566647@qq．com

亚太森博30万t液体包装纸项目成功开机

2014年6月12日下午，亚太森博（山东）浆纸有限公司年产30万t液体包装纸板项目试生产的第一卷纸成功下线，标志着该公司进军高端市场，拉长产业链，为国产高端液体包装纸市场添新力。

亚太森博扩建年产30万t液体包装纸板项目，总投资18.8亿元，于2012年12月开工建设，该项目从德国引进全世界最先进的全套设备，充分利用亚太森博自产的湿浆，最大限度地减少了烘干、裁切、运输等中间环节，大大降低了原材料及水、电、汽等资源消耗，不仅降低了成本，优化了产品结构，提高了产品质量和档次，还更好地实现了环保、低碳、资源节约生产。

Carbon Footprint Calculating Method for Pulping and Papermaking with Straw Material and the Measurements for Lowing Carbon

ZHANG Huan, ZHANG Hui
( Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology Nanjing Forestry University, Nanjing, 210037, China )

Firstly discussed was the calculating method of carbon footprint and carbon sequestration ration in straw papermaking industry; then a cultural paper production line(40t/d) with straw material, which represents domestic typical scale and technical level at present was used as an example, calculated was its carbon sequestration ration; finally pre sented was the ways to improve carbon sequestration ration of domestic papermaking with straw material. Results show that, the carbon footprint calculation of papermaking industry is suit for life cycle assessment, the carbon emission and the carbon sequestration ration for 1t paper in the typical line are 2248.5 kgCO2 and 0.8, respectively; production scale of the process line should enlarge from 40 t/d to 60 t/d, and an advanced productive technology and equipment are uesd, which can reduce carbon emission, so as to make carbon sequestration ration of straw material papermaking ＞1.0.

Pulping and Papermaking; Straw; Carbon Footprint; Carbon Sequestration Ration; Low Carbon way

TQ35;TS71

A

0253-2417（2012）00-0000-00

国家科技支撑计划（重大项目2011BAC11B01）；江苏省2011年度普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX11_0528)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

张欢（1988—） 女 硕士生 主要从事制浆造纸工业碳足迹评估的研究。