中国造纸和纸制品行业碳排放特征及减排路径分析

何旭丹 王焕松，* 贾学桦，* 党 盼 张 亮 付裕武 程言君

（1.北京市科学技术研究院资源环境研究所，北京，100089；2.中国轻工业联合会，北京，100037）

近年来，全球气候、环境、资源和能源等方面的问题日益凸显，严重威胁生态文明建设及可持续发展[1]。随着工业化进程不断推进，2009年，中国二氧化碳排放量已高于美国，成为了全球最大的二氧化碳排放国家；同时，中国二氧化碳排放量超过美国和欧盟国家总和，占全球29.37%[2]。截止2022年初，在应对全球碳减排行动进程中，已有136个国家发布了碳中和目标，45个国家颁布了碳中和相关政策文件与法律法规。中国《“十四五”工业绿色发展规划》和《2030年前碳达峰行动方案》提出了碳排放量降低18%和单位生产总值能源消耗降低13.5%的明确目标，以期2030年实现碳达峰。造纸工业是中国工业的重要组成部分，且属于能源密集型的第一产业。2021年，造纸工业能耗约占全国制造业能耗总量的1.4%[3]。同时，中国是全球最大的纸和纸板的生产国和消费国[4]，随着人口增长和人民生活水平不断提高，纸制品的种类和数量也在不断增加，2022年，中国纸和纸板产量达到124.25×106t，较2021 年增长2.6%。目前，造纸及纸制品行业仍处于工业快速发展及能源消耗的上升阶段，其对应的碳排放量也持续增加[5]。

中国造纸和纸制品行业正在深入推进节能减排等绿色制造体系建设工作，相关部门先后颁发了《工业绿色发展规划（2016—2020年）》《关于做好2022年企业温室气体排放报告管理相关重点工作的通知》等文件，出台了GB 31825—2015《制浆造纸单位产品能源消耗限额》等行业能耗限额标准，以及GB/T 35613—2017《绿色产品评价纸和纸制品》等行业绿色制造标准，有效促进了行业节能降耗和技术升级，单位产品综合能耗不断降低。此外，随着中国“双碳”目标政策体系的实施[6-8]，造纸和纸制品行业正在有序开展“双碳”路径的相关研究工作[9-12]，提出实现碳达峰、碳中和的关键举措。

造纸和纸制品行业的碳减排活动对中国碳排放总量控制及人类和自然的可持续发展有着至关重要的作用[13]。因此，本文以碳排放系数法为基础核算碳排放量，分析了该行业的能源消耗量、碳排放特征及未来碳排放趋势，研究了行业碳排放的主要影响因素，并提出了相关节能降碳的工艺技术路径，为中国进一步推动行业的碳排放核算体系及碳中和评估方法的标准化建设，以及行业能源效率提升和绿色低碳转型的发展提供理论指导及参考。

1 研究与核算方法

1.1 识别排放源

目前，中国造纸行业已发布《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（试行）》文件（以下简称“核算指南”），核算指南中包含二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）2 种温室气体。因此，在造纸和纸制品行业的生产工艺流程中，涉及碳排放的环节主要由2部分组成（图1），如图1所示：①将植物纤维原料、废纸原料生产为纸浆；②利用制备的纸浆进行纸和纸制品生产；③生产过程中产生的废水处理。

图1 造纸和纸制品工艺流程及碳排放环节Fig.1 Production process of paper and paper products with carbon emission

因此，根据核算指南考虑的工艺流程，排放源类别分别包括化石燃料燃烧、过程、废水厌氧处理和净购入电力/热力产生的排放。造纸和纸制品行业各排放源的具体排放内容如表1所示。

表1 造纸和纸制品行业碳排放源分类Table 1 Classification of carbon emission sources in paper and paper products industry

1.2 确定核算边界

参考核算指南文件中的规定，本文中核算边界为主体和辅助生产系统，以及为生产过程服务的附属系统；其中，辅助生产系统包括动力、供电、供水、化验、机修、库房、运输、废水处理系统等，附属生产系统包括生产指挥系统（厂部）和厂区内为生产服务的部门和单位（职工食堂、车间浴室、保健站等）。

1.3 碳排放量计算

参考核算指南文件中的核算方法，造纸和纸制品企业的碳排放总量等于核算边界内所有生产系统的化石燃料燃烧排放量、过程排放量、净购入电力与热力产生排放量，以及废水处理排放量之和，按式(1)计算。

式中，E为碳排放总量，tCO2e；E燃烧为化石燃料燃烧排放量，tCO2；E过程为过程排放量，tCO2；E废水为废水厌氧处理产生的排放量，tCO2e；E电和热为净购入电力与热力产生排放量，tCO2。

1.3.1 化石燃料燃烧排放

化石燃料燃烧导致的碳排放量是各种化石燃料燃烧产生的CO2排放量的和，按式(2)计算。

式中，ADi为第i种化石燃料的活动水平，GJ；EFi为第i种化石燃料的CO2排放因子，tCO2/GJ。

1.3.1.1 活动水平数据获取

化石燃料燃烧的活动水平是各种化石燃料的消耗量与平均低位发热量的乘积，按式(3)计算。

ADi= NCVi·FCi（3）

式中，NCVi是第i种燃料的平均低位发热量，采用核算指南附录二所提供的化石燃料相关参数推荐值，固体或液体燃料单位为GJ/t，气体燃料单位为GJ/万Nm3；FCi是第i种燃料的净消耗量，固体或液体燃料单位为t；气体燃料单位为万Nm3。

造纸和纸制品行业的能源消耗实物量数据来源于2015—2020 年《中国统计年鉴》中“行业分能源消耗量”数据，结合常用化石燃料相关参数推荐值，化石燃料燃烧的活动水平的计算结果如表2所示。

表2 造纸和纸制品行业化石燃料的活动水平Table 2 Levels of fossil fuel activity in paper and paper products industries

1.3.1.2 排放因子数据获取

造纸和纸制品生产过程中化石燃料燃烧的CO2排放因子按式(4)计算。

式中，CCi为第i种燃料的单位热值含碳量，采用核算指南附录二所提供的推荐值，tC/GJ；OFi为第i种化石燃料的碳氧化率，采用指南附录二所提供的推荐值，%。

化石燃料燃烧的CO2排放因子计算结果如表3所示。

表3 造纸和纸制品行业化石燃料燃烧的CO2排放因子Table 3 CO2 emission factors from fossil fuel combustion in paper and paper products industries

1.3.1.3 化石燃料燃烧排放量核算结果

根据上述活动水平数据与排放因子数据相关公式，造纸和纸制品行业化石燃料燃烧排放量的核算结果如表4所示。

表4 造纸和纸制品行业化石燃料燃烧的CO2排放因子Table 4 CO2 emission factors from fossil fuel combustion in paper and paper products industries

1.3.2 过程排放

造纸生产过程中过程排放量是外购并消耗的石灰石（碳酸钙）发生分解反应产生的CO2排放量。结合国内重点企业的调研结果，造纸和纸制品行业过程排放量按式(5)计算。

E过程=L·EF石灰（5）

式中，L为石灰石原料消耗量，t；EF石灰为煅烧石灰石的CO2排放因子，tCO2/t石灰石。

1.3.2.1 活动水平数据获取

煅烧石灰石的生产在化学浆法生产木浆的石灰窑工段，单位木浆产品的石灰石原料消耗量约0.015 t石灰石/t[14]。根据中国造纸协会数据显示，2015—2020年中国木浆年产量分别为966万、1005万、1050万、1147万、1268万和1490万t。中国是纸浆进口大国，自产木浆远远不满足纸类生产所需，故可认为所生产的木浆全部为造纸和纸制品行业自用。因此，2015—2020年造纸和纸制品行业的石灰石原料消耗量分别为14.5万、15.1万、15.8万、17.2万、19.0万和22.4万t。

1.3.2.2 排放因子数据获取

过程排放的排放因子EF石灰采用核算指南推荐值0.405 tCO2/t石灰石。

1.3.2.3 过程排放量核算结果

根据上述活动水平数据与排放因子数据相关公式，造纸和纸制品行业过程排放量的核算结果如表5所示。

表5 造纸和纸制品行业过程排放量核算结果Table 5 Paper and paper products industry process emissions accounting results

1.3.3 废水厌氧处理的排放

造纸和纸制品生产过程中产生的工业废水经厌氧处理产生的甲烷排放量按式(6)计算。

E废水=ECH4_废水·GWPCH4·10-3（6）

式中，GWPCH4为甲烷的全球变暖潜势值，根据《省级温室气体清单编制指南（试行）》，GWPCH4取21；ECH4_废水为废水厌氧处理过程甲烷排放量，kg，按式(7)计算。

ECH4_废水=(TOW -S)·EF -R（7）

式中，TOW 为废水厌氧处理去除的有机物总量，按式(8)计算，kg；S为以污泥方式清除掉的有机物总量，kg；EF 为甲烷排放因子，kg CH4/kg COD；R为甲烷回收量，kg。

TOW =W·(COD进- COD出) （8）

式中，W为厌氧处理过程产生的废水量，m3；COD进为厌氧处理系统进口废水中的化学需氧量浓度，kg /m3；COD出为厌氧处理系统出口废水中的化学需氧量浓度，kg /m3。

1.3.3.1 活动水平数据获取

结合国内重点企业的调研结果，造纸和纸制品行业单位产品在厌氧处理过程中所产生的废水量约20.5 m3/t，厌氧处理系统进口废水中CODCr浓度约4.9 kg/m3，厌氧处理系统出口废水中CODCr浓度约0.6 kg/m3；单位产品以污泥方式清除掉的有机物总量约37.4 kg COD/t，甲烷回收量约4.7 kg CH4/t。

1.3.3.2 排放因子数据获取

甲烷排放因子按式(9)计算，结果为0.125 kg /kg COD。

式中，Bo 为厌氧处理废水系统的甲烷最大生产能力，kg CH4/kg COD，本文采用核算指南文件的推荐值0.25 kg CH4/kg COD；MCF 为甲烷修正因子（无量纲），反映了厌氧处理废水系统的厌氧程度，表示不同处理和排放的途径或系统达到的甲烷最大产生能力的程度，本文采用核算指南文件的推荐值0.5。

1.3.3.3 过程排放量核算结果

根据上文活动水平数据与排放因子数据相关公式，造纸和纸制品行业单位产品废水厌氧处理去除有机物总量为88.15 kg COD/t，废水厌氧处理过程甲烷排放量为1.6 kg CH4/t，单位产品废水厌氧处理的排放量的核算结果为0.035 tCO2e/t。

1.3.4 净购入电力与热力产生的排放

购入的电力/热力消费所对应的能源生产环节CO2排放量，按式(10)计算。

式中，AD电为净外购电量，MWh；EF电为区域电网年平均供电排放因子，tCO2/MWh；AD热为净外购热力，GJ；EF热为平均供热排放因子，tCO2/GJ。

1.3.4.1 活动水平数据获取

造纸和纸制品行业的净外购电量数据来源于2015—2020 年《中国统计年鉴》。2015 年电力消耗实物量为6.35×107MWh，2016 年电力消耗实物量为6.76×107MWh，2017 年 电 力 消 耗 实 物 量 为7.12×107MWh，2018 年电力消耗实物量为7.28×107MWh，2019 年电力消耗实物量为7.45×107MWh，2020 年电力消耗实物量为7.98×107MWh。结合国内重点企业的调研结果，造纸和纸制品生产企业年购热量相对较小或无外购热力，因此净外购热力的活动水平数据可忽略不计。

1.3.4.2 排放因子数据获取

核算指南要求电力消费的排放因子EF电数据选用国家主管部门最近年份公布的电网排放因子。根据中国生态环境部印发的《关于做好2022年企业温室气体排放报告管理相关重点工作的通知》，并以通知附件的形式更新的《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施（2022年修订版）》中规定，全国电网排放因子由0.6101 tCO2/MWh调整为0.5810 tCO2/MWh。本文涉及2020 年及之前的排放因子仍采用0.6101 tCO2/MWh。热力消费的排放因子EF热采用核算指南文件的推荐值0.11 tCO2/GJ。

1.3.4.3 净购入电力与热力产生的排放量核算结果根据上文活动水平数据与排放因子数据相关公式，造纸和纸制品行业净购入电力与热力产生的排放量的核算结果如表6所示。

表6 造纸和纸制品行业净购入电力与热力产生排放量核算结果Table 6 Accounting results of emissions from net purchases of electricity and heat in the paper and paper products industry

2 核算结果分析

2.1 造纸和纸制品行业的碳排放量核算结果

根据中国造纸协会调研数据显示，2015—2020年中国纸及纸板生产量分别为10710 万、10855 万、11130万、10435万、10765万和11260万t。碳排放总量与单位产品碳排放量的核算结果如表7所示。

表7 造纸和纸制品行业的碳排放总量与单位产品碳排放量Table 7 Total carbon emissions and carbon emissions per unit product of paper and paper products industry

2.2 造纸和纸制品行业的核算结果分析

结合2015—2020 年中国造纸和纸制品行业的碳排放量的核算结果，造纸和纸制品行业碳排放量变化趋势如图2 所示。从图2 可以看到，中国造纸和纸制品行业的碳排放总量在2017 年达到峰值后开始逐步下降。2020 年，随着行业产能的扩张排放总量又有了一定的反弹，但单位产品的碳排放量在2018 年达到峰值后，开始进入下行阶段。

图2 造纸和纸制品行业碳排放量变化趋势Fig.2 Trend of carbon emission in paper and paper products industry

图3 显示了造纸和纸制品行业碳排放环节占比变化趋势。如图3所示，在造纸和纸制品行业的碳排放环节中，化石燃料燃烧排放量的占比在逐年递减，转化为净购入电力/热力产生的排放。由于行业的专业性不同，电力和热力行业的化石燃料到其他能源转化率，一般高于非电力和热力企业的标准。因此，造纸和纸制品行业碳排放环节占比的变化趋势，体现了行业通过技术更新，采用外购电力与热力能源逐步取代企业生产中的化石燃料燃烧，对于能源的使用方式也日益趋于集约化。同时，随着中国电力交易制度的逐步完善，绿色电力的购买与使用也成为了新的选择，为通过能源结构调整进行碳减排也带来了巨大的潜力。

图3 造纸和纸制品行业碳排放环节占比变化趋势Fig.3 Trend of carbon emission ratio in paper and paper products industry

为满足不断扩大的企业生产和居民生活需求，中国造纸和纸制品行业的产品生产量还在逐年上升，根据中国造纸协会最新统计数据显示，2021 和2022 年全国纸及纸板生产量分别为12105 万t 与12425 万t，同比分别增长7.5%与2.6%。按2020 年单位产品碳排放量0.67 tCO2/t 计算，2021 和2022 年中国造纸和纸制品行业碳排放总量预计比2020 年分别增加563 万t和777万t。

3 造纸和纸制品行业的碳减排路径分析

3.1 完善统筹造纸工业碳排放政策与标准

英国、德国、欧盟等发达国家和地区首先明确了双碳目标的法律地位，同时逐步制定了碳中和发展的低碳法律法规体系，在工业重点行业设计相对完善的碳排放路线，评估了减排政策的实施效果，并准确制定了中长期气候目标、全方位的转型工作部署，后续将统一评估减排、碳排放统计监测、碳预算和碳排放目标进展等协调性。目前，相关国家与造纸工业的行业标准的出现概念不清甚至重复的问题，且造纸类型不同其工艺均不同，涉及的碳工作范围不一致。为进一步统一造纸工业碳排放政策与标准，应加速完善造纸工业碳排放核算、监测和评估等标准化及统筹机制，制定提高可再生能源占比的相关政策，形成节能低碳的激励约束机制，构建有利的绿色低碳技能发展的制度体系，加强与国际标准的衔接与一致性。

3.2 有序替代燃料使用与能源结构优化

德国制定了在2038 年脱碳的能源结构转型目标，欧盟国家也要求相关能源部门实现去碳，实施氢能战略和能源体系系统化。目前，中国造纸和纸制品行业化石能源排放所占比例约30%，行业及产业链上、下游均有较大的下调空间，在能源使用受限的背景下调整能源结构，高效利用生物质燃料、光伏发电、氢能和天然气等绿色清洁再生能源，探索开展电气化改造，充分利用太阳能以及造纸废液废渣等生物质能源。因此，严格合理控制煤炭和石油等化石能源的消费增长，能够加速降低化石能源的利用率，并有效降低煤炭能源占比，实现向可再生能源体系的脱碳跨越式转变，加快构建清洁低碳新型能源供应体系是碳中和的核心内容与关键途径，可为进一步降低造纸业碳排放提供有利条件[15]。

3.3 研发碳捕获、利用与封存等关键技术

碳捕集、利用和封存（Carbon Capture Utilization and Storage, CCUS）是碳深度减排实现碳减排及人类社会可持续发展的不可缺少的CO2高值转化利用的关键核心技术，美国、欧盟国家率先加大了对新能源、储能和脱碳技术等碳中和关键研发技术的投资。目前中国造纸工业碳市场不成熟，进行碳利用的产业发展仍具有很大空间，后续应加快对造纸领域CCUS 技术市场的研发。

3.4 降低造纸工业过程碳排放

相关研究表明，企业设备升级改造、改进生产技术及环境管理能力，高效回收利用生产阶段产生的废气、废液等能源，应尽可能最大化达到低碳减排的目标，如造纸企业废水脱硫处理方面，工艺升级将碳酸钙替代为氧化钙和氢氧化钠，能够降低过程碳排放，碱回收利用技术能够节省原材料的使用等减污减碳技术，均能大幅程度降低碳排放，从而整体降低碳排放水平。

3.5 有序构建碳排放权交易市场与建设碳排放数据库

建立完整性、精确性、一致性、可测量和国际化的造纸企业每种能源消耗数据库，实现标准化可验证的量化碳排放量的查验系统，不仅有助于查验碳排放信息更具公信力、统一性与广泛性，完善碳交易市场机制的建设，并在国际上面对低碳“卡脖子”要素时，能够充分证明造纸产品是健全的生态产品且符合国际化标准，可进一步打造中国碳市场与国际接轨的自愿低碳减排机制[16]。

3.6 优先推动地方碳达峰行动与试点示范建设

根据国家制定的碳交易和“双碳”方案，率先开展碳中和先行试点，因地制宜加速推进绿色低碳发展，如以东莞、江门和湛江等产业重点集中地区，推动不同中小企业入园，实行统一供热供电，提升造纸工业的绿色化、集约化、高端化水平，广泛推广节能等工艺技术，打造造纸工业深度脱碳的林浆纸一体化，逐步实现从源头减少碳排放，并为全国各省提供可借鉴的经验做法。另外，可在试点地区优先从国家宏观政策调控、政策刺激和激励以及相关奖惩措施等方面，对制浆造纸行业相关企业单位进行政策宣传，进一步优化碳交易政策和碳汇政策，对减碳效果和措施明显的企业予以奖励和表彰，对于减碳不力的企业予以一定惩处和通报，加大力度督促企业从被动减碳到主动减碳，从国家、企业和技术研发单位等多方面协同发力，共同营造全行业积极降碳减排的氛围和环境。

4 结 语

2018 年是中国造纸和纸制品行业单位产品碳排放的峰值时期，2018 年后，行业的单位产品碳排放量逐年下降，开始进入下行阶段。这一阶段中，造纸和纸制品行业碳排放的控制，得益于社会整体碳排放意识的逐渐提高与能源结构的整体调整。随着中国造纸和纸制品行业的产品生产量继续增加，为了实现“双碳”目标，碳减排的压力也越来越大，碳减排能力的进一步提升迫在眉睫。因此，完善统筹造纸工业碳排放政策与标准，构建有利的绿色低碳技能发展的制度体系变得日趋重要，成为中国造纸和纸制品行业持续减排的基础。

同时，从研究中可以发现，造纸和纸制品行业碳排放的来源主要为化石燃料燃烧排放，以及净购入的电力/热力产生的排放，占碳排放总量的95%，过程排放与废水厌氧处理的排放则相对较少，仅占5%左右。因此，从排放结构上来看，有序替代燃料使用与持续能源结构优化，是降低造纸和纸制品行业碳排放的关键手段，将为进一步降低造纸业碳排放提供有利条件。不仅如此，碳捕获、利用与封存等关键技术的研发，现有设备的升级改造，生产技术及环境管理能力的改进，均可以作为造纸和纸制品行业碳减排的重要切入点。

此外，从国家统筹规划的实践角度，有序构建碳排放权交易市场与建设碳排放数据库，优先推动地方碳达峰行动与试点示范建设，也是中国造纸和纸制品行业减排路径上不可忽视的重要举措。