典型制浆造纸厂的CO2排放及碳强度的算法和分析

张欣　张放　蔡慧　张辉

摘 要：以在我国造纸工业最具代表性的一家制浆造纸联合工厂为研究对象，采用“造纸和纸制品生产企业温室气体排放核算方法与报告指南”和温室气体核算体系计算工具的方法，研究了温室气体种类、核算边界和方法、工厂能耗和碳排放总量以及碳强度。结果表明，2014年该工厂碳排放总量为430496.772 t CO2，不包含生物质能源产生的碳排放;基于工厂的纸浆碳强度为0.228 t CO2/t风干浆，为基于产品获得的各种纸浆碳强度的7.4%～56.9%;基于国民生产总值（GDP）的碳强度为1.08 t CO2 e/1000 USD，为我国造纸工业平均水平的56.3%;基于销售额的碳强度为0.301 t CO2 e/1000 USD，约为国际纸业公司的52.6%。结果也表明，影响企业碳强度的主要因素有原材料种类、能源结构、产品结构等，以及为在碳排放交易市场中获得更多的碳排放交易权空间，企业应进一步进行节能减排。

关键词：CO2排放;制浆造纸工业;碳交易;碳强度;能耗

中圖分类号：TS734

文献标识码：A

温室效应引起的全球变暖使得国际上高度重视温室气体排放（也称碳排放）和碳足迹;碳排放权交易作为《京都议定书》的重要减排机制之一，受到全球关注。

2009年，我国在哥本哈根会议上承诺，到2020年，单位GDP的CO2排放量下降40%～45%。2011年，我国首次将温室气体排放控制内容写入《国民经济和社会发展第十二个五年（2011—2015年）规划纲要》，其中提出了约束性目标：到2015年，单位GDP的CO2排放量比2010年下降17%（实际达到20%），单位GDP能源消耗量比2010年下降16%（实际达到18.2%）[1-2]。

为了履行减排承诺和保护资源与环境，我国于2011年启动了“两省五市”试点碳排放权交易，并计划于2017年晚些时间在全国范围内启动碳排放权在线交易，这是一个环境保护的里程碑。拟纳入我国碳排放权交易体系的主体是石化、化工、建材、钢铁、有色、造纸、电力、航空等重点排放行业中，在2013—2015年中任意一年综合能源消费总量达到1万t标煤以上（含）[3]的企业。为此，企业进行碳排放权交易前，需提交企业温室气体排放报告，包含企业基本信息、纳入碳排放权交易主营产品信息以及能源与温室气体排放相关数据。我国碳排放权交易市场启动后，年交易量将达到50亿t，将成为全球最大的碳排放交易市场（欧盟次之，为20亿t）[4]。因而，重点企业的温室气体排放报告工作将成为企业年度常态化的工作内容，并将关系到企业在碳排放交易市场中的资产额。

制浆造纸工业作为全球第四大工业能源消耗行业[5]，2014年，全球制浆造纸工业能源消耗约5.95 EJ，其中，我国制浆造纸工业能耗占全球制浆造纸工业能耗的19%[6-7]，碳排放总量约占全球的29%[8];随着人均纸张消费量向发达国家靠拢[9-11]，我国制浆造纸工业碳排放量仍将持续增长。由于我国制浆造纸工业的能源结构是以煤为主（占比约50%）[11]，未来行业的环境保护问题仍将面临较大挑战。目前，对于碳排放的研究大部分是基于产品（主要是纸和纸板）进行核算的[12-13]，基于工厂的碳排放量研究较少[14]，单独以纸浆为产品的碳排放核算更少。对于一个多品种、多生产线的企业，尤其针对集约型工厂，基于产品进行碳排放的核算，容易出现能源边界模糊的问题，使碳排放数据不准确。基于工厂的碳排放核算便于进行区域总量控制和碳排放权交易，并有利于从全厂角度寻求进一步节能减排的空间;另外，从行业角度，其可用于评价一个企业在技术和规模等方面是否具有代表性。因而，随着我国碳排放权交易市场启动时间的临近，基于整个工厂的碳排放核算是非常有必要的。

温室气体核算体系（Greenhouse Gas Protocol）是最具影响力的标准之一[15]，几乎世界上所有的温室气体核算标准都是基于该协定制定的，它提供了制浆造纸厂核算温室气体排放量的计算工具（温室气体协定工具）[16]。在我国，基于工厂的碳排放量核算使用“造纸和纸制品生产企业温室气体排放核算方法与报告指南”（以下简称“核算指南”）[17]。两者的基本框架和定义是一致的;不同点在于：第一，温室气体核算体系计算工具列出了碳排放核算的每一方面，而核算指南相对简化，更适用于我国制浆造纸企业;第二，温室气体核算体系中要求单独核算生物质能源引起的碳排放、但并不包括在总排放量中，而核算指南中不要求核算;第三，根据实际的生产状态，由于燃料碳氧化率的差异导致碳排放因子不同。

本课题的研究对象为我国具有典型代表性的一家制浆造纸联合工厂，该工厂拥有国内最大的木浆生产量，具有先进的工艺装备技术和管理水平，是我国制浆造纸行业的标杆企业。碳排放因子采用核算指南的推荐值和实验室实际测定值，根据核算指南对该厂的碳排放量进行分析和核算，同时根据温室气体核算体系计算工具单独列出生物质能源的碳排放量，进而计算出企业基于主营产品和宏观指标的碳强度;并且分析了碳强度影响因子，发现和提出对应的节能减排措施。本课题将为该厂参与我国正推进的碳排放交易与评价提供依据，为我国造纸工业进行工厂碳排放核算和碳强度提供一个标准框架，也有助于国际社会了解我国代表性的制浆造纸联合工厂的碳排放水平。

1 核算过程与方法

利用核算指南评估企业温室气体排放量包括以下几个步骤：①确定核算边界;②识别排放源;③收集活动水平数据;④选择和获取排放因子数据;⑤分别计算化石燃料燃烧产生的碳排放量、过程产生排放量、企业净购入的电力和热力产生的碳排放量、废水处理产生的碳排放量;⑥汇总计算企业温室气体排放量。温室气体核算体系通常允许企业忽略那些很少、对整个碳排放量的估算没有太大影响的排放[16]。因此，核算过程可以简化为温室气体种类、核算边界和方法。

1.1 核算过程

1.1.1 工厂信息

该工厂是一家制浆造纸联合工厂。制浆原材料包括泰国桉木、澳洲桉木、中国桉木、印尼相思木、越南相思木和针叶木。该工厂拥有2台浆板机和2台纸板机，产品为漂白硫酸盐阔叶木浆（LBKP）和针叶木浆（NBKP）、白卡纸和液体包装纸板。纸板机使用10%自产浆和漂白化学热磨机械浆。浆板机和纸板机的基本情况见表1。

碳酸钙购自北山矿业（中国安徽）。漂白化学热磨机械浆购自Eurocell公司（中国香港）、Millar公司（加拿大亚伯达）和Marubeni公司（加拿大温哥华）。

1.1.2 温室气体种类

根据对温室效应的贡献，温室气体核算体系工具主要关注3种温室气体：CO2、CH4、氧化亚氮。由于低含量的碳源对碳排放量核算影响较小，可以忽略。核算指南中核算的温室气体为CO2和CH4。本课题中，该工厂废水处理采用好氧法，无CH4产生和排放。因此，本课题只核算CO2的排放量。

1.1.3 核算边界

图1为根据核算指南确定的核算边界。边界用来评估制浆造纸生产过程、原材料运输和利用中的碳排放量。碳排放量可分为5个部分。

第1部分是燃料燃烧产生的碳排放量。化石燃料包括煤炭、天然气、柴油、重油和液化气。生物质能源包括甲醇、黑液、木屑。甲醇产自木材蒸煮工段，可收集为生物质能源。当燃料与氧气充分燃烧时，释放CO2。根据温室气体核算体系，生物质能源燃烧产生的碳排放量单独核算，不包括在企业CO2总排放量中。第2部分是过程碳排放量，主要是企业外购并消耗的石灰石发生分解产生的CO2排放。第3部分是净购入的电力对应的排放。第4部分是净外购的热力对应的碳排放。第5部分是废水厌氧处理产生的CH4排放。由于该工厂采用好氧处理，因此无CH4排放。

图1 工厂核算边界

1.1.4 CO2排放量计算公式

式（1）用于核算工厂CO2的总排放量：

E=∑3i=1Ei（1）

式中，E1为工厂的化石燃料和生物质燃料燃烧产生的碳排放量（t CO2）;E2为过程碳排放量（t CO2）;E3为工厂净外购的电力和蒸汽产生的碳排放量（t CO2）。

E1=∑ni=1（ADi×EFi）（2）

式中，ADi为年度内第i种燃料的活动水平（GJ）;EFi为第i种燃料的CO2排放因子（t CO2/GJ）;i为燃料类型代号。

ADi=NCVi×FCi（3）

式中，NCVi为年度内第i种燃料的平均低位发热量（GJ/t，固体或液体燃料;GJ/Nm3，气体燃料）;FCi为年度内第i种燃料的净消耗量（t，固体或液体;Nm3，气体）。

EFi=CCi×OFi×4412（4）

式中，CCi为第i种燃料的单位热值含碳量（t C/GJ）;OFi为第i种燃料的碳氧化率（%）;44/12为碳和CO2间的换算系数。

E2=L×EF石灰石（5）

式中，L为年度内石灰石的消耗量（t）;EF石灰石為煅烧石灰石的CO2排放因子（t CO2/t石灰石）。

E3=AD电×EF电+AD热×EF热（6）

式中，AD电、AD热为年度内净外购电、蒸汽量（MWh，电;GJ，蒸汽）;EF电、EF热为电、蒸汽年平均CO2排放因子（t CO2/MWh，电;t CO2/GJ，蒸汽）。

1.1.5 碳强度

碳强度可以用来表征能源效率和比较碳排放水平，其公式为：

碳强度=EX（7）

式中，X为主营产品产量（或GDP和销售额）。根据《制浆造纸工业水污染物排放标准》（GB3544—2008）对工厂的分类，该工厂主营产品为纸浆。

1.2 核算方法

为了核算CO2排放量，需要收集FCi、L、AD电、AD热、NCVi和各类燃料的CO2排放因子EFi。FCi主要来自工厂能源平衡表、原材料消耗表，AD电和AD热来自财务报表、采购发票和其他审计报告。NCVi和EFi优先使用实验室实际测定值，如没有实际测定值，可采用核算指南中的缺省值。区域电网年平均供电CO2排放因子因地域差异而不同，数据来自发改委公布的区域电网最新CO2排放因子[18]。

烟煤、重油、木屑、黑液、甲醇的NCVi，甲醇和低压蒸汽的EFi采用实验室测定值。木屑、黑液和甲醇的EFi以烟煤的值代替。丙烷气和液化气的NCVi和EFi以液化石油气的值代替。2012年华北区域电网的CO2排放因子为0.8843 kg CO2/kWh。

碳强度的原始数据来源如下：世界银行提供的不同国家GDP和温室气体总排放量;中国统计年鉴（2006—2015）提供我国造纸工业的工业增加值;Wang等[19]核算了我国造纸工业的温室气体总排放量，不包含生物质能源产生的排放量。

2 结果与讨论

2.1 工厂能源系统

通过热电联产设施将化石能源转化为电力和蒸汽，用于生产过程。图2为简化的工厂能源流程图。

碱回收车间是工厂最大的能源消耗区，占总能耗的91%。第2个能源消耗区域为动力车间，占8.9%。第3个区域为浆板和纸板车间。原水被泵入到清水车间，每个车间的废水送至废水处理厂，该区域只消耗电力。化学品准备和压缩空气系统只需要很少量的蒸汽和电力。

2.2 工厂能源消耗

2014年，该工厂能源消耗总量为1512374.024 t标煤，见表2。由表2可知，该工厂符合2017年碳排放权交易的条件。生物质能源是该工厂的主要能源，占能源消耗总量的88.3%，以黑液为主。化石能源仅占能源消耗总量的11.9%，以烟煤和重油为主。

2.3 工厂CO2排放量核算

该工厂碳排放总量及各主要分类能源的碳排放量见表3。由表3可知，2014年，该工厂排放430496.772 t CO2，占当年我国造纸工业排放量的0.35%。化石燃料燃烧是主要的CO2排放源，高于该厂CO2总排放量，其中烟煤和重油燃烧的CO2排放量占化石燃料排放总量的98.1%。生产过程中的石灰石排放了11378.475 t CO2，占总排放量的2.64%。由于电力和蒸汽大部分外卖，没有电力和蒸汽产生的CO2排放，反过来可以认为该工厂吸收了14853.665 t CO2。

生物质能源排放了3470365.968 t CO2，其中97.1%的排放量由黑液产生，是化石能源排放量的8倍。其他的CO2排放由木屑和甲醇产生。生物质能源来自木材，木材燃烧时排放的CO2与成长过程中吸收的CO2可抵消。这个过程是碳中和，不产生净CO2。因此，生物质能源的碳排放量不包括在CO2总排放量中，但需要额外核算。生物质能源的使用节省了大量的化石能源，减少了向大气中排放的净碳排放量。Wang 等[19]核算了2005—2012年我国造纸工业的碳排放量，生物质能源的碳排放量占23%～26%，而该工厂对应的数据是89%（当生物质能源排放量被包含在排放总量中时）。如果不再使用生物质能源，工厂的CO2总排放量将大大增加。

2.4 碳强度比较

2.4.1 基于工厂和产品算法

碳强度受原材料种类的影响较大。表4为基于工厂和产品算法的碳强度比较。

由表4可知，基于工厂算法的碳强度较基于产品算法的碳强度低。该工厂主要生产商品浆。研究表明，该工厂向环境中排放了0.228 t CO2/t风干浆，与基于产品获得的各种纸浆碳强度相比[20-24]，为其他木浆碳强度的35%～56.9%，草浆碳强度的7.4%，废纸浆碳强度的30.6%～41.6%。

这3类浆相比，草浆的碳强度最高，其次为废纸浆，木浆最低。主要原因有两个方面，其一是木浆碱回收工段可回收利用能源，且黑液属于生物质能源，排放的CO2不计入工厂碳排放总量中;而草浆碱回收可回收能量少，废纸浆无碱回收工段。第二是废纸浆生产环节无蒸煮工段，能耗较低。我国造纸工业中，木浆、废纸浆和非木浆消耗量分别占纸浆总消耗量的28%、65%和7%[7]，而发达国家比例分别达63%、33.6%和3.4%[25]。因此，我国应该增加木浆的比例，降低草浆比例，或者采用先进的工艺设备降低草浆能耗。

2.4.2 基于宏观指标的算法（国民生产总值，GDP）

碳强度的主要影响因素是能源结构、产业结构、技术管理水平、能源强度等。

2003—2012年，全球碳强度均呈明显的线性下降趋势，我国碳强度下降趋势更为明显，年均下降率为11.1%（全球年均下降率为5.24%）（见图3）。自2005年，我国温室气体总量超过美国成为世界第一，占全球比例逐年增加，2012年达到23.3%。2005—2014年，我国造纸工业碳强度逐年下降（不含生物质能源的碳排放）（见图4）。

根据图3和图4可推测出，2014年全球碳强度为0.570 t CO2 e/1000 USD，我国碳强度为0.723 t CO2e/1000 USD，我国造纸工业碳强度为1.92 t CO2 e/1000 USD。本课题研究对象工厂2014年的碳强度为1.08 t CO2 e/1000 USD，为同年我国造纸工业碳强度的56.3%，但仍高于我国和全球碳强度的平均水平。这主要是由于造纸工业是能耗大户，我国造纸工业以化石能源为主，故温室气体排放量较高。

2.4.3 基于宏观指标的算法（销售额）

参考世界自然基金会发布的“在华非化石能源企业碳强度排行榜”报告[26]，基于销售额对企业碳强度进行比较发现：2012年，造纸行业的碳强度为0.550 t CO2 e/1000 USD，低于交通运输业，均高于榜单中的其他行业;本课题研究对象工厂的碳强度为0.301 t CO2 e/1000 USD，国际纸业公司的碳强度为0.572 t CO2 e/1000 USD。后者作为全球排名第一的造纸企业，其技术管理水平、能源结构均优于本课题中研究对象工厂，但本课题中研究对象工厂的碳强度为后者的52.6%，这说明企业的产品结构对碳强度也有一定的影响，同时也表明本课题研究对象工厂在我国造纸工业中有一定的代表性。

2.5 工厂节能减排措施

根据碳强度的影响因子，工厂为获得更多的碳排放交易权空间，应进一步进行节能减排。措施包括：加强管理，引进节能减排技术，利用生物质能源代替化石能源，增加富余的电力和蒸汽的外卖，提高燃料燃烧效率等。

3 结 论

本研究以在我国造纸工业最具代表性的一家制浆造纸联合工厂为研究对象，采用“造纸和纸制品生产企业温室气体排放核算方法与报告指南”和温室气体核算体系计算工具的方法，研究了温室气体种类、核算边界和方法、工厂能耗和碳排放总量以及碳强度。结果表明，2014年，该工厂排放430496.772 t CO2。化石燃料的燃烧是碳排放的主要来源，生物质能源燃烧的碳排放不包含在总碳排放量中;基于工廠的纸浆碳强度为0.228 t CO2/t风干浆，是基于产品获得的各种纸浆碳强度的7.4%～56.9%;基于国民生产总值（GDP）的碳强度为1.08 t CO2 e/1000 USD，为我国造纸工业碳强度的56.3%，但高于我国和全球碳强度的平均水平;基于销售额的碳强度为0.301 t CO2 e/1000 USD，约为国际纸业公司的52.6%。分析结果表明，碳强度的影响因素主要有原材料种类、能源结构、产品结构、技术管理水平等;企业为在碳排放交易市场中获得更多的碳排放交易权空间，应进一步进行节能减排。

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Calculation and Analysis of CO2 Emissions and Carbon Intensity of a Typical Integrated Paper Mill in China

ZHANG Xin1，2，3ZHANG Fang1，3CAI Hui1，2ZHANG Hui1，3，*

（1Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology， Nanjing Forestry University， Nanjing，

Jiangsu Province， 210037;

2State Key Lab of Pulp and Paper Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong Province， 510640;

3Jiangsu  Co-Innovation  Center  for Efficient  Processing  and  Utilization  of  Forest  Resources， Nanjing Forestry  University， Nanjing， Jiangsu Province， 210037）

（*E-mail：zhnjfu@163.com）[JZ）]

Abstract：In this paper， the types of greenhouse gases， calculation boundaries and methods， energy consumption， carbon emissions and intensity of a typical integrated pulp and paper mill in China were studied based on the Accounting Method and Report Guidance for GHG Emissionsfrom Pulp and Paper Industry and the Greenhouse Gas Protocol ToolsThe results showed that there were 430496.772 t CO2 emissions from that mill in 2014 that did not cover CO2 emissions from biomass energy， which was 8 times higher than that of fossil energyThe carbon intensity based on the pulp was 0.228 t CO2/adt， which accounted for 7.4%～56.9% in other pulps based on the productThe carbon intensity based on Gross Domestic Product （GDP） was 1.08 t CO2 e/1000 USD and accounted for 56.3% intensity in the China paper industryThe carbon intensity based on sales was about 52.6% of that of International PaperIt also showed that carbon intensity was influenced by the species of raw material， structures of energy and products， which provided the mill with measures for energy saving and CO2 emissions reduction to obtain the redundant carbon emissions in the trading.

Keywords：CO2 emissions; pulp and paper industry; carbon emissions trading; carbon intensity; energy consumption