我国制浆造纸工业能源消耗与碳排放估算

陈 诚 邱荣祖

(福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州，350002)

随着气候变化研究的深入，温室气体 (Greenhouse Gas，GHG)排放问题已经成为国际研究的热点。CO2是大气中的主要温室气体，碳或二氧化碳当量 (CO2e)通常被用于衡量温室气体的排放量。在总温室气体排放中，工业排放的比重最大，而我国的工业增长更是带有明显的高能耗和高排放的特征［1］，统计数据显示，我国碳排放的70%来自产业经济部门，而居民碳排放仅占30%［2］。发展低碳经济将成为我国经济社会发展面临的重要课题。

制浆造纸工业与人类日常生活息息相关，在低碳经济的背景下，有其特殊性。首先，制浆造纸工业属于高能耗、高碳排放的产业。2007年，我国制浆造纸工业能源消费总量3342.68万t标准煤，工业能耗占整个工业部门能耗量的2%左右，居轻工业能耗之首［3］。其次，现代先进的制浆造纸工业可能是一种典型的低碳工业［4］。制浆造纸工业的原料以生物质原料为主，其原料供应、能源消耗以及碳排放方面都包含了生物碳;发展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，从而减少碳排放。

据中国造纸年鉴［5］显示，2011年全国纸及纸板生产企业有3500多家，纸浆生产总量7723万t，较上年增长5.53%;纸及纸板生产量9930万 t，较上年增长7.12%，工业总产值6911亿元，占全国工业总产值的3.67%。消费量 9752 万 t，较 上年 增 长6.31%，人 均 年 消 费 量 为 73kg(13.40亿人)。目前，发达国家的人均用纸量约为300 kg［6］。可以看出，我国的制浆造纸业不仅是我国工业的重要组成部分，而且仍具有很大的发展潜力。中国造纸年鉴 (2012)数据表明，2011年，我国纸浆进口1445万 t，比上年增长27.09%，废纸进口2728万t，比上年增长12.03%，木片进口656.55万t，比上年增长41.76%。因此从供应链角度对制浆造纸工业的能源消耗和碳排放进行正确评估，并考虑原料来源不同对指标值的影响是十分有必要的。

Farahani等人［7］首次比较了瑞典和美国的浆纸一体化工厂的能耗及CO2排放量，指出制浆造纸工业的碳排放与生产工厂的能源效率、国家 (地区)主要能源的碳排放强度以及生物质能源对化石能源的替代量相关。Laurijssen等人［8］从生命周期视角研究了由3种主要纸浆 (化学浆、机械浆、废纸浆)生产6种纸品的能耗及碳排放，并对荷兰的制浆造纸工业进行了能耗和碳排放的评估。James［9］从土地利用变化角度研究了废纸回收与温室气体排放之间的关系。Manda等人［10］利用生命周期评估法 (Life Cycle Assessment，LCA)就未漂白原生纸浆、回收纤维浆和化学预热机械浆的木材耗用、能源消耗、温室气体排放以及其他环境影响等因素进行了比较。但以上研究均未考虑供应链上各种原料及半成品的不同来源。

近年来，国内也有少量关于工业能耗和碳排放估算方面的研究。董军等人［11］研究了影响工业部门能耗碳排放的具体因素，综合考虑能源排放强度、能源结构、能源强度和产出规模等四个要素，建立了工业部门能耗碳排放分解模型。张智慧等人［12］利用投入产出分析技术间接碳排放，并利用关联碳排放系数和碳排放拉动系数比较了主要工业行业单位产出的碳排放能力。李威灵［3］对比了我国制浆造纸工业能耗水平与国际先进水平的差距，从结构调整、节能技术和节能管理等方面提出了节能降耗的主要措施。已有研究中未见对我国制浆造纸工业的能源消耗和碳排放估算的研究，而准确计算和掌握我国制浆造纸工业的能耗、碳排放量及主要因素的影响情况对准确评价制浆造纸工业在温室气体排放中的地位与作用具有重要意义，并为制浆造纸工业的可持续发展及战略制定提供重要依据。

图1 制浆造纸工业供应链基本模式

1 材料与方法

1.1 制浆造纸工业供应链模式

因我国制浆造纸工业的特殊性，进行能耗和碳排放研究必须考虑进入供应链系统的的原料来源，我国制浆造纸工业的基本供应链模式如图1所示。

制浆厂的原料可大致分为原木、木片、废纸及其他非木纤维;其中木片和废纸的来源还包括进口部分。造纸厂除使用国内各类纸浆，还使用各类进口纸浆。如果国产纸产品不能满足国内市场需求，则还需一部分的进口纸品。各类纸品在消费者处使用后一部分被回收，其余则被丢弃。

本研究在进行制浆造纸工业能源消耗和碳排放的估算中，把原料分为三类:木质纤维、回收纤维以及非木纤维。木质纤维包括原木和木片，考虑到各国产业保护和运输效率等原因，进口木质纤维仅包含进口木片;回收纤维即废纸，包括国内回收废纸和进口废纸;非木纤维指国内非木纤维。向造纸厂供应的纸浆分为国内纸浆和进口纸浆，由国内制浆厂生产的纸浆均为国内纸浆。因数据可得性的原因，仅粗略地将木浆分为化学浆和机械浆两大类。本研究仅关注纤维，特别是木质纤维，因而制浆造纸过程中的其他物质(如填充物等)则未考虑。

1.2 计算边界

图2 我国制浆造纸工业供应链能源消耗概况图

基于我国制浆造纸工业供应链的基本模式，制浆造纸工业能源消耗概况如图2所示，根据IPCC指导原则，假设森林的永续经营，生物碳排放可不予计算，即木质纤维在生长过程中的碳排放以及废纸处理时 (如焚烧)的碳排放不予计算。但从能源消耗的角度，认为原料若不用于制浆造纸，可用于生产能源以替代化石燃料的消耗，从而减轻碳排放。故随着原料投入供应链，可计算相应的碳排放。此外，为了区分国内原料和进口原料，对于进入供应链的国内原木及木片按我国当前土地利用情况计算相应的碳汇量。假设在林纸一体化战略下，对制浆造纸工业木质原料的供应是从更多进行森林经营而获取的更多木材产出得到的。为了进行全周期的评价，假设市场消费的纸品未回收的部分都将与市政垃圾一同焚烧，且焚烧产生的热值将被利用，从而得到碳排放的减轻［8］。2011年我国市政垃圾焚烧率仅为17.3%，但垃圾无害化处理率已达86.9%［13］。废纸经过无害化处理方式并不会造成碳的消耗，且本研究更多的关注废纸中的碳量，但该假设可能造成对废纸回收能源的过高估算。

1.3 计算方法

基于本文的研究方法，碳排放是随着能源的消耗而产生的，同时，能源的产出则被记为碳排放的减轻。能源消耗包括能源投入和能源产出两部分，能源投入引起碳排放，而能源产出能减轻碳排放。能源消耗量等于能源投入与能源产出之差。热能的转换效率取为90%，电能的转换效率取35%［14］。

1.3.1 能源消耗

(1)能源投入

供应链中主要的能源投入有森林培育、砍伐、切片过程中的能源投入、原料能源投入、运输能源耗用、制浆造纸过程中热能和电能的耗用。

森林培育、砍伐、切片过程中的能源投入计算见式(1):

式中，Dw为木片的体积，m3;μ1为森林培育、砍伐及切片过程中的单位能耗，本文取0.07 GJ/m3［1］。

原料能源投入计算见式 (2):

式中，Mw为生物质的数量，即原料的木材当量，相应的木浆和废纸通过转换系数转换成标准生物质量，化学浆的转换系数取为1.11，机械浆的转换系数取为2.22，废纸的转换系数取为 1.85［6］;μ2为单位生物质所包含的能量，本文取 18 GJ/m3［15］。

运输能源耗用的计算见式 (3):

式中，M为运输物的质量，t;d为运输距离，km;μ3为每吨公里的能源消耗，本文取 0.01922 GJ/t·km［16］。国内生产物的平均运输距离设为150 km，进口物的平均运输距离设为500 km［11］。

制浆造纸过程中的电能和热能的消耗计算见式(4):

式中，Eeli(kWh/t)和Ehei(GJ/t)分别为生产单位i种产品所消耗的电能和热能;ε(0.00857 GJ/kWh)和φ(1.11)分别表示由主要能源生产电能和热能的生产系数;Wpi表示i种产品的质量，t。

相关参数取值如表1所示。

表1 单位产品的电能和热能消耗数据

(2)能源产出

制浆过程中的副产品可以用于生产能源，如造纸黑液及造纸废弃物。制浆和造纸过程中的能源产出计算方法和制浆造纸过程中的能源消耗相同，采用式(4)计算。

此外，纸产品中也包含有能源。一方面，回收的废纸再用于造纸计算同生物质原料能源投入，采用式(2)计算。我国目前的废纸回收率约为47.4%。另一方面，废弃废纸燃烧产生的能源用其产生的电能估算，计算公式如式 (5)所示。

式中，Eelg表示每吨废纸燃烧产生的电能，kWh/t;Mwpi表示废弃废纸的质量，t。

单位能源产出值如表2所示。

表2 单位产品的电能和热能产出数据

制浆造纸过程中使用的不同方法和设备导致的能源消耗与产出相差较大，但总体而言，我国制浆造纸工业的能耗和欧洲造纸发达国家相当［21］。

1.3.2 碳排放

根据IPCC的碳排放系数，制浆造纸工业的碳排放可根据能源消费量与碳排放系数的乘积求得，如式(6)所示。森林培育、砍伐、切片中使用的能源按我国主要能源 (煤)计算;目前我国制浆造纸原料运输过程大多采用卡车运输，故运输过程中的主要能源取柴油计算。

式中，ELUi表示第i个过程中总的电能投入;ELGj表示第j个过程中的总电能产出;HEUi表示第i个过程中总的热能投入;HEGj表示第j个过程中总的电能产出。α、β、γ、θ分别为电能、热能、煤炭和柴油的排放系数;τ为当前土地利用情况下，我国每生长1 m3木材形成的碳汇。各参数在本文中取值如表3所示。

表3 碳排放系数取值表

2 结果与分析

根据以上计算思路和计算方法，利用仿真软件Extendsim8.0进行制浆造纸工业供应链的建模，从而计算出我国制浆造纸工业的能耗及碳排放。

2011年，我国制浆造纸工业总能源投入为5650.18 PJ(1 PJ=106GJ)，各部分投入比例组成如图3所示。其中，森林培育、砍伐、切片能源投入1.26 PJ，所占比例几乎可忽略不计;生物质原料能源投入为3169.92 PJ，占总能源投入的56%;运输能源投入为597.64 PJ，制浆过程中的能源投入为504.08 PJ，占总能源投入的11%;造纸过程中的能源投入为1021.40 PJ，占总能源投入的18%;非木浆能源投入355.88PJ，占总能源投入的6%。能源总产出为2435.56 PJ，其中制浆造纸过程中的能源产出为397.6 PJ，废纸焚烧产生的能源为630.01 PJ，保留在回收废纸中的能源为1531.70 PJ。可见，若不包括生物质能源投入，则制浆造纸总的能源消耗是较少的。

图3 各部分能源投入比例组成

2011年我国制浆造纸工业能源总消耗为3214.62 PJ，除去少量出口，国内消费的吨纸能源消耗为31.07 GJ。制浆造纸工业的总碳排放为149.74 Mt-CO2e，吨纸CO2排放量约为1543 kg CO2e。计算值与我国能源统计年鉴中的数值有较大差异，是因为能源统计年鉴考量的是工业过程中为完成生产而投入使用的其他能源，而本文从制浆造纸原料 (木纤维)的能源本质出发，计算的能耗值中包括原料本身作为能源的能耗。碳排放量的计算也是基于相同的视角。表4给出了不同文献中的一些主要国家的制浆造纸工业的能源消耗和碳排放数据。不同的估算方法、估算依据和视角，甚至是不同的估算目的均会产生不同的结果，而讨论的核心在于哪种方法和视角更能客观准确地评价特定行业的能耗及碳排放。此外，不同国家的制浆造纸工业碳排放和该国使用的主要能源类型及其使用效率以及废纸回收率的大小也具有高度的相关关系。

表4 不同国家制浆造纸工业的能源消耗和碳排放比较

因各国能源效率、制浆造纸工业使用的主要能源、浆种比例、原料组成结构等情况差异较大，能源消耗和碳排放的估算值也有较大差异。本文估算的吨纸能源消耗与表4中所示主要国家的能耗基本在同一数量级，但吨纸CO2排放的估算值较大，这是因为本文的估算方法并未考虑进口原料在生产国的碳汇，而计算了这些原料对应的碳排放当量。近年来，人们逐渐认识到国际贸易对碳排放的影响［26-27］，正在积极推动从基于生产地的计算方法向基于消费地的计算方法的转变［28-29］。而目前我国制浆造纸供应链上的投入量，尤其是原料部分，进口量所占比例较大。其他文献在进行国家制浆造纸工业能源消耗和碳排放估算时未考虑进口的影响，同时Heath［25］也指出将进口的影响加入到碳排放的估算中会使碳排放的估算值增大。

在本文提出的估算方法下，首先，若供应链中的国产木材比例增加将带来供应链碳排放的减少;其次，纸浆供应中，国产木浆的比例增加将带来能源消耗量的减少以及供应链碳排放的减少，这与我国近年来积极推动的林浆纸一体化战略是相一致的;林浆纸一体化战略不仅能有效缓解我国木材对外依存度大的现状，也能为节能减排战略的推进以及提高我国在国际上履约谈判的主动性产生积极作用。因此，本文提出的估算方法将供应链上的进出口商品的影响考虑进来是合理的，有助于正确把握原料对外依存度对供应链碳排放的影响，有利于我国制浆造纸工业的发展战略乃至木质林产品产业的发展战略的制定。

3 结论

通过对我国制浆造纸工业的分析，提出从供应链的角度对制浆造纸工业的能源消耗和碳放量进行估算，包括从森林培育、砍伐、制浆、造纸、消费等主要生命周期。立足于基于消费地的计算方法，将森林培育中产生的碳汇包括进来以区别国产木材和进口木材对供应链碳排放的影响。

一方面，计算结果说明，在合理的土地利用变化范围内，积极推进我国木材需求的自给自足有利于降低我国制浆造纸工业的碳排放。另一方面，对进口原料与国产原料以不同的方法计算充分考虑了不同国家林业发展水平以及制浆造纸供应链的能源消耗和碳排放水平的差异，有利于制浆造纸全球供应链的形成与发展。

随着制浆技术的不断进步，利用制浆过程的副产品进行能源的生产使得制浆过程不再是能源消耗过程，而是能源产出过程，减少对进口木浆的依赖，能在一定程度上减少我国制浆造纸工业的能源消耗和碳排放。

将制浆造纸工业原料折算成供应链的能源投入，能充分体现制浆造纸工业原料的特殊性及多用途性(人造板、生物质能源等)，该计算方法下的计算结果有助于指导生物质的最佳用途。

总之，从供应链视角进行制浆造纸工业的能源消耗和碳排放的研究符合当前国际上对碳排放核算的一致认识，有助于更合理的对一个国家制浆造纸工业进行能源消耗和碳排放的核算。本文利用提出的基于供应链视角的估算方法对我国制浆造纸工业的能源消耗和碳排放进行了估算，估算结果对我国制浆造纸工业的发展具有重要的参考和促进意义。

［1］Chen Shiyi.Energy Consumption CO2Emission and Sustainable Development in ChineseIndustry［J］. EconomicStudies， 2009(4):41.

陈诗一.能源消耗、二氧化碳排放与中国工业的可持续发展［J］.经济研究，2009(4):41.

［2］Wen Longguang，Yi Weiyi.Study on low carbon industry chain and advancing path of low carbon economic in China［J］.Science ＆Technology Progress and Policy，2011，28(14):70.

文龙光，易伟义.低碳产业链与中国低碳经济推进路径研究［J］.科技进步与对策，2011，28(14):70.

［3］LI Wei-ling.Energy Consumption Status and Energy Saving Measurement of China's Paper Industry［J］.China Pulp ＆ Paper，2011，30(1):36.

李威灵.我国造纸工业的能耗状况和节能降耗措施［J］.中国造纸，2011，30(1):36.

［4］LIU Huan-bin，LI Ji-geng，TAO Jin-song.Some Thoughts on Developin Low-carbon Paper Industry［J］.China Pulp ＆ Paper，2011，30(1):51.

刘焕彬，李继庚，陶劲松.发展低碳造纸工业的几点思考［J］.中国造纸，2011，30(1):51.

［5］China Technical Association of Paper Industry，2011.Almanac of China paper industry 2011 ［J］. China light industry press，Beijing:2012.

中国造纸学会.2011年中国造纸年鉴［J］.北京:2011年中国轻工业出版社，2012.

［6］Chen qingwei.The future prospect of paper industry with recycled fibers［J］.China Pulp ＆ Paper Industry，2010，31(19):28.

陈庆蔚.废纸造纸业的未来前瞻［J］.中华纸业，2010，31(19):28.

［7］Farahani S，Worrell E，Bryntse G.CO2free paper［J］.Resources，Conservation and Recycling，2004，42(3)，317.

［8］Laurijssen J，Marcsidi M，Westenbroek A，et al.Paper and biomass for energy?The impact of paper recycling on energy and CO2emissions［J］. Resources， Conservation and Recycling，2010， 54(12):1208.

［9］James K.An investigation of the relationship between recycling paper and card and greenhouse gas emission from land use change［J］.Resources，Conservation and Recycling，2012，67:44.

［10］Manda B M K，Blok K，Patel M K.Innovations in papermaking:An LCA of printing and writing paper from conventional and high yield pulp［J］.Science of the Total Environment，2012，439:307.

［11］Dong Jun，Zhang Xu.Decomposition of carbon emissions and low carbon strategies for industrial sector energy consumption in China［J］.Resources Science，2010，32(10):1856.

董 军，张 旭.中国工业部门能耗碳排放分解与低碳策略研究［J］.资源科学，2010，32(10):1856.

［12］Zhang Zhihui，Liu Ruijie.Carbon emissions in the construction sector based on input-output analyses［J］.Journal of Tsinghua University(Sci.＆ Tech.)，2013，53(1):53.

张智慧，刘睿劼.基于投入产出分析的建筑业碳排放核算［J］.清华大学学报(自然科学版)，2013，53(1):53.

［13］Xu Wenlong.The policy of municipal solid waste treatment and the twelfth planning［J］.Construction technology，2013(8):14.

徐文龙.我国生活垃圾处理政策与“十二五”规划［J］.建设科技，2013(8):14.

［14］Graus W，Voogt M，Worrell E.International comparison of energy efficiency of fossil power generation［J］.Energy Policy，2007，35(7):3936.

［15］Cleveland CJ.Encyclopedia of energy［R］.Oxford，UK:Elsevier，2004.

［16］Chen H，Chen G Q.Energy cost of rapeseed-based biodiesel as alternative energy in China［J］.Renewable Energy，2011，36(5):1374.

［17］Nilsson LJ，Larson ED，Gilbreath KR，et al.Energy efficiency and the pulp and paper industry［R］.Washington，DC，USA:American Council for an Energy Efficient Economy，1995.

［18］Gullichsen J，Fogelholm C-J.Chemical Pulping.Papermaking Science and technology［M］，Book 6A.Finland:Fapet Oy.Jyväskyä，2000.

［19］Holmberg J M，Gustavsson L.Biomass use in chemical and mechanical pulping with biomass-based energy supply［J］.Resources，Conservation and Recycling，2007，52(2):331.

［20］Dornburg V.Faaij A，Meulemam B.Optimising waste treatment systems Part A//Methodology and technological data for optimising energy production and economic perfermance［J］.Resources，Conservation and Recycling，2006，49(1):68.

［21］LIU Bing-yue.The Development and Current Status of Energy Consumption of China's Pulp and Paper Industry［J］.China Pulp ＆ Paper，2010，29(10):64.

刘秉钺.我国造纸工业能耗的发展变化与现状分析［J］.中国造纸，2010，29(10):64.

［22］NDRC(National Development and Reform Commission)，MIIT(Ministry of Industry and Information Technology)，NBF(National Bureau of Forest).Development plan for paper industry in the 12th five-year period(2011-2015).Beijing:2011.

国家发展改革委，工业和信息化部，国家林业局.造纸工业发展“十二五”规划.北京:2011.

［23］Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC).Greenhouse gas inventory book—1996 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories.Geneva，Switzerland:IPCC，1996.

［24］Adès J，Bernard J T，González P.Energy use and GHG emissions in the Quebec pulp and paper industry，1990—2006［J］.Canadian Public Policy，2012，38(1):71.

［25］Heath L S，Maltby V，Miner R，et al.Greenhouse gas and carbon profile of the U.S.forest products industry value chain［J］.Environmental Science＆ Technology，2010，44(10):3999.

［26］Li Y，Hewitt C N.The effect of trade between China and the UK on national and global carbon dioxide emissions［J］.Energy Policy，2008，36(6):1907.

［27］Wei Benyong，Fang Xiuqi，Wang Yuan.Estimation of carbon emissions embodied in international trade for China:an input-output analysis［J］.Journal of Beijing Normal University(Natural Science)，2009，45(4):413.

魏本勇，方修琦，王 媛，等.基于投入产出分析的中国国际贸易碳排放研究［J］.北京师范大学学报(自然科学版)，2009，45(4):413.

［28］Peter G P.From production-based to consumption-based national emission inventories［J］.Ecological Economics，2008，65(1):13.

［29］Gavrilova O，Vilu R.Production-based and consumption-based national greenhouse inventories:An implication for Estonia［J］.Ecological Economics，2012，75:161. CPP