“双碳”目标约束下企业CO2协同减排路径研究

宋文健,赵夏斐,索海翔

(1.中国地方煤矿有限公司,北京 100011; 2.中煤集团碳资产管理中心,北京 100011;3.中国矿业大学(北京),北京 100083)

随着社会各行各业的飞速发展,我国碳排放量逐年上升。国际能源署曾有报告明确指出:中国和美国是CO2排放量增长速度最快的两个国家。随着生态文明建设的加快,低碳经济成为了社会发展的重要战略方针,是各行各业发展和生产的制约因素。

制浆造纸业目前处于全球工业能源消耗行业排行榜第四位,2018年,全球制浆造纸业共消耗工业能源约4.17EJ,其中,我国占了20%,碳排放量为全球的30%左右。随着我国纸张需求量的不断增长,碳排放量仍在持续增加[1]。由于我国制浆造纸业的主要能源为煤,未来行业发展所产生的碳排放问题,对我国生态环境来说是个巨大的挑战。

基于此,国家提出了“双碳”目标,即争取在2030年使CO2排放量达到峰值,并于2060年实现碳中和。国家提出的“双碳”目标,也代表了对减污降排工作的决心,同时也出台了多项有利于各区域、各行业节能减排、降碳的政策和策略,积极采取各项措施攻克减污降碳难题。本文以“双碳”目标为约束,针对企业的CO2排放问题,进行协同减排路径的研究。本文研究的对象主体是一家知名的制浆造纸联合工厂,利用核算指南和温室气体核算体系对其展开核算和分析,得到该厂的CO2排放量;分析影响企业CO2排放量的影响因素,确定主要因素为能源消耗,能源消耗的增加带动企业CO2排放量的增加;给出3点适合企业CO2减污降排的措施,并对其展开实验测试,结果也验证了3项措施可从根本上解决企业的CO2排放问题,并为企业节省一大笔能源支出费用。

1 企业CO2排放量计算方法

利用核算指南[2]中的推荐值和实验室测定值分析企业的碳排放因子,并运用温室气体核算体系分析和计算企业的碳排放量,最终提出适合企业节能减排的绿色发展路径。

利用核算指南计算企业CO2排放量主要包括以下几个步骤:

(1)确定核算边界;

(2)确定CO2排放源;

(3)获取活动水平数据;

(4)对碳排放因子进行筛选和采集;

(5)对企业产品生产过程、燃料燃烧过程、消耗电力和热力过程产生的碳排放量分别进行计算;

(6)对上述产生的总碳排放量进行汇总计算。

温室气体核算体系对企业中那些碳排放较少、影响较小的因素忽略不计,对具体核算过程进行详细描述。

1.1 企业信息

本文选择的企业为一家具有代表性的制浆造纸联合工厂,原材料为多种不同种类的木材,该厂拥有2台纸板机和2台浆板机,主要生产产品为各类木浆、液体包装纸板[3]以及白卡纸等。表1给出了该厂纸板机和浆板机的各类参数。

表1 纸板机和浆板机具体参数

1.2 温室气体种类

温室气体核算体系主要针对的对象为CO2、CH4以及氧化亚氯三种,气体只有CO2、CH4两种。由于工厂废水处理过程不会有任何CH4的产生,所以研究的对象只有CO2一种。

1.3 核算边界

确定核算边界的目的是评估工厂在产品生产过程、原材料运输及加工过程、以及燃料燃烧过程产生的碳排放量。制浆造纸工厂核算边界[4]如图1所示。

图1 制浆造纸联合工厂核算边界

通过图1可以看出,制浆造纸联合工厂的碳排放主要从五个部分产生:第一部分是化石燃料燃烧[5]产生的CO2。该厂化石燃料主要是煤炭,还包括液化气、天然气、重油等,以及黑液、甲醛、木屑等在内的生物质能。化石燃料经过充分燃烧后会产生大量的CO2,本文主要采集这一部分数据;第二部分是过程碳排放,主要为石灰石分解后产生的CO2;第三部分、第四部分分别是消耗电力和热力产生的CO2;第五部分是工厂废水处理后产生的CH4,由于本文采用的是好氧法处理废水,所以不会有CH4的产生,这部分可不做考虑。

1.4 企业CO2排放量计算

通过式(1)对制浆造纸联合工厂CO2的总排放量进行核算:

(1)

式中:Ei为工厂燃烧不同种类燃料产生的碳排放量,万t,i=1,2,3表示燃料种类;E1为燃烧化石燃料产生的碳排放量,万t;E2为过程碳排放量,万t;E3为工厂消耗电力和热力产生的碳排放量。

E1表达式为

(2)

式中:EFi为第i种燃料的CO2排放因子[6],计算公式如式(4)所示;ADi为单位年度内,第i种燃料的活动水平,计算公式为

ADi=NCVi×FCi

(3)

式中:NCVi为一年时间内工厂燃烧第i种燃料产生的低位发热量,kW·h;FCi为工厂在一年时间内消耗的第i种燃料总量,J/(kg·K)。

(4)

E2表达式为

E2=L×EFshs

(5)

式中:L为该工厂一年内消耗的石灰石总量;ADr为石灰石的CO2排放因子。

E3表达式为

E3=ADd×EFd+ADr+EFr

(6)

式中:ADd为该工厂一年内净购入的电量,C(A·s);ADr为该工厂一年内净购入的热量,J/(N·m);EFd、EFr分别表示电和热的年均CO2排放因子。

为了制浆造纸联合工厂CO2排放量核算结果更加精准,需要明确FCi、L、ADd、ADr、NCVi以及其他燃料的CO2排放因子EFi。ADd和ADr通过工厂的购买发票、财务报表和审计报告获取,NCVi和EFi在没有实验室测定值的前提下,可选择核算指南中的缺省值来代替。电网年均CO2排放量会由于地理区域位置的不同而存在较大的出入,这部分数据要参考当地相关部门发布的最新数据。木屑、黑液、重油和甲醛的NCVi、以及热量产生的蒸汽和甲醛的EFi均使用实验室测定值。

2 企业CO2排放量影响因素分析

通过上述分析,得到企业CO2排放量的影响因素主要为能源消耗,但是不知道能源消耗与CO2排放量之间的具体关系、以及如何控制能源消耗量来减少CO2的排放。因此,本文主要考虑能源消耗对CO2排放量的影响,进而给出相应的协同减排路径方案。

能耗集合了制浆造纸过程中所有工序的能耗之和,即:

(7)

式中:G为工厂能耗总和,kW·h;j为工厂消耗的能源种类;ej为在单位时间内消耗的第j种能源总量;Qj为消耗第j种能源产生的热值,J/(kg·K)。

将EFi和式(7)进行整合,得到能源消耗与CO2排放量之间的关系,如式(8)所示:

(8)

由式(8)可知,CO2排放量与能耗之间存在着协同效应,企业能耗增加的同时必然会带动起CO2排放量的上升。

3 “双碳”目标约束下企业CO2协同减排路径

“双碳”目标[8]的提出,表明国家对减污降排工作的重视程度。制浆造纸企业由于在生产加工过程中会产生大量的CO2,作为支柱性产业之一,能否严格控制CO2的排放已经成为整个减排工作的重中之重。制浆造纸工厂的协同减排工作必然是在合理且有效的措施上实施的[9]。本文就上文分析,针对制浆造纸企业给出了以下几点协同减排路径方案。

3.1 提高企业各部门技术水平,减少CO2排放

要从根本上控制CO2排放,达到协同减排的目的,提高制浆造纸企业各部门的技术水平是首要目的[10]。提高煤炭燃烧水平和原材料处理技术,不仅可以保证煤炭资源被充分利用,降低能源消耗、为社会经济做出贡献,同时还可以提高原材料利用率,减少原材料的碳排放量,达到节能减排的目的。

3.2 提高企业管理水平,增加绿色科研投入

制浆造纸联合工厂拥有数百名工人,必须提高对工人的管理水平,制定人员规范准则[11],以标准化准则约束工人,杜绝任人唯亲,避免工人之中出现“小团体”。与此同时,针对企业现有工人团队,一方面可以对现有工人和部门作出优化,裁掉没有绿色价值的部分;另一方面,增设一些绿色创新部门和岗位,日常工作围绕节能减排、企业绿色发展等展开,将责任落实到每一个工人的身上,从而达到节能减排的目的。

3.3 提高绿色创新能力,把控好每个环节

创新是制浆造纸企业生存发展的唯一途径,要想从根本上控制CO2的排放,要提高企业的绿色创新能力[12]。首先,从原材料的开采、运输再到加工,每个环节都要遵循绿色理念;其次,对于人员的选择、技术的引进等同样也需要有所创新。企业可以通过与高校、相关研究机构或者能源依赖型企业合作的方式,引进先进绿色新兴技术,提高企业自身绿色技术研发能力,从而实现减污降排[13]。具体实施过程可分为以下几个步骤:

(1)增加企业对可再生能源的使用率,争取将化石燃料替换为太阳能、风能等。

(2)提高企业碳捕捉和碳封存的能力,增加碳汇资源存储量。

(3)增强企业低碳低排放、高附加值转化技术的研发能力,从根本上降低能源消耗,从而降低CO2的排放。

(4)增强企业现有基础设施建设,尤其是使用频率较高的设备,做好定期维护和保养,降低事故发生的概率[14]。同时,企业还应根据自身能力引进先进设备,对现有的设备进行更新换代,为更好地开展节能减排工作提供先进设备和工艺[15]。

4 实验测试

为了验证本文方法在实际应用中是否同样合理有效,对其展开实验测试。实验在国内某知名制浆造纸厂进行,该厂拥有1台浆板机和1台纸板机。

首先,对比应用本文方法后,该厂在2019—2021年的CO2排放量,结果如图2所示。

图2 应用本文方法前后CO2排放量对比

从图2中可以很明显地看出,应用本文方法后,该厂CO2排放量出现了大幅下降的情况,连续四年均低于未应用本文方法前,说明该厂的CO2排放问题得到了有效控制,从而验证本文方法的有效性。同时从图2中还可以看出,未应用本文方法前,CO2排放量为逐年上升,这是由于该厂在没有采取任何节能减排措施的前提下,仍然加大生产,造成了CO2排放量逐年增加的现象;而应用本文方法后,CO2排放量为逐年下降,这是由于该厂采取了相应的节能减排措施后,严格把控生产中的各项环节,不断引进先进技术和设备,使得CO2排放量逐年降低。

其次,对比应用本文方法前后,该厂在2019—2021年的能源利用情况和化石燃料燃烧情况,结果如图3所示。

图3 应用本文方法前后能源利用和燃料燃烧对比

由图3可知,应用本文方法后,该厂的能源利用率和化石燃料燃烧率均得到了有效提升,从而为该厂节省了一笔不小的费用。这是由于本文方法主张节能减排,只有提高能源利用率和燃料燃烧率,才能从根本上控制CO2的排放。

接下来,对比应用本文方法前后,该厂在2019—2021年因能源消耗所花费的费用,结果如图4所示。

图4 应用本文方法前后能源消耗费用对比

通过观察图4可以得知,在应用本文方法后,该厂每年因能源消耗所产生的费用均得到了降低。这是由于应用本文提出的节能减排措施后,提高了能源利用率和化石燃料燃烧率,从而降低了能源开销费用,为企业节省了一部分费用。

最后,将本文方法应用到该厂,对本文提出的3项协同减排措施效果进行实验测试,验证3项措施具体的CO2减排量,结果如图5所示。从图5中可以看出,本文方法中的措施1共减少CO2排放量315万t,措施2共减少CO2排放量400万t,措施3共减少CO2排放量276万t。对比之下可以发现,措施2为企业节能减排做出的贡献最大、效果最明显。

图5 本文3项措施具体CO2减排量

5 结 论

企业CO2的大量排放,致使生态环境问题愈发严重,如不及时采取措施减污降排,环境将发生不可逆转的破坏。本文选取一家制浆造纸联合工厂,在该厂内应用核算指南和温室气体核算体系,对CO2排放量进行分析和核算,并对影响CO2排放量的因素进行分析,确定能耗与其之间的关系,从而给出三点关于协同减排的建议。通过进行实验测试,本文提出的CO2协同减排路径取得了非常理想的成效,在降低企业能源开销的同时,提高了能源利用率和化石燃料燃烧率,为企业节省了一大笔的费用开销,助力企业向更先进的方向发展。