我國制漿造紙工業能源消耗與碳排放估算

陳 誠 邱榮祖

(福建農林大學交通與土木工程學院，福建福州，350002)

隨著氣候變化研究的深入，溫室氣體 (Greenhouse Gas，GHG)排放問題已經成為國際研究的熱點。CO2是大氣中的主要溫室氣體，碳或二氧化碳當量 (CO2e)通常被用于衡量溫室氣體的排放量。在總溫室氣體排放中，工業排放的比重最大，而我國的工業增長更是帶有明顯的高能耗和高排放的特征［1］，統計數據顯示，我國碳排放的70%來自產業經濟部門，而居民碳排放僅占30%［2］。發展低碳經濟將成為我國經濟社會發展面臨的重要課題。

制漿造紙工業與人類日常生活息息相關，在低碳經濟的背景下，有其特殊性。首先，制漿造紙工業屬于高能耗、高碳排放的產業。2007年，我國制漿造紙工業能源消費總量3342.68萬t標準煤，工業能耗占整個工業部門能耗量的2%左右，居輕工業能耗之首［3］。其次，現代先進的制漿造紙工業可能是一種典型的低碳工業［4］。制漿造紙工業的原料以生物質原料為主，其原料供應、能源消耗以及碳排放方面都包含了生物碳;發展制漿造紙工業可以擴大生物質能源的使用，減少對化石燃料的依賴，從而減少碳排放。

據中國造紙年鑒［5］顯示，2011年全國紙及紙板生產企業有3500多家，紙漿生產總量7723萬t，較上年增長5.53%;紙及紙板生產量9930萬 t，較上年增長7.12%，工業總產值6911億元，占全國工業總產值的3.67%。消費量 9752 萬 t，較 上年 增 長6.31%，人 均 年 消 費 量 為 73kg(13.40億人)。目前，發達國家的人均用紙量約為300 kg［6］。可以看出，我國的制漿造紙業不僅是我國工業的重要組成部分，而且仍具有很大的發展潛力。中國造紙年鑒 (2012)數據表明，2011年，我國紙漿進口1445萬 t，比上年增長27.09%，廢紙進口2728萬t，比上年增長12.03%，木片進口656.55萬t，比上年增長41.76%。因此從供應鏈角度對制漿造紙工業的能源消耗和碳排放進行正確評估，并考慮原料來源不同對指標值的影響是十分有必要的。

Farahani等人［7］首次比較了瑞典和美國的漿紙一體化工廠的能耗及CO2排放量，指出制漿造紙工業的碳排放與生產工廠的能源效率、國家 (地區)主要能源的碳排放強度以及生物質能源對化石能源的替代量相關。Laurijssen等人［8］從生命周期視角研究了由3種主要紙漿 (化學漿、機械漿、廢紙漿)生產6種紙品的能耗及碳排放，并對荷蘭的制漿造紙工業進行了能耗和碳排放的評估。James［9］從土地利用變化角度研究了廢紙回收與溫室氣體排放之間的關系。Manda等人［10］利用生命周期評估法 (Life Cycle Assessment，LCA)就未漂白原生紙漿、回收纖維漿和化學預熱機械漿的木材耗用、能源消耗、溫室氣體排放以及其他環境影響等因素進行了比較。但以上研究均未考慮供應鏈上各種原料及半成品的不同來源。

近年來，國內也有少量關于工業能耗和碳排放估算方面的研究。董軍等人［11］研究了影響工業部門能耗碳排放的具體因素，綜合考慮能源排放強度、能源結構、能源強度和產出規模等四個要素，建立了工業部門能耗碳排放分解模型。張智慧等人［12］利用投入產出分析技術間接碳排放，并利用關聯碳排放系數和碳排放拉動系數比較了主要工業行業單位產出的碳排放能力。李威靈［3］對比了我國制漿造紙工業能耗水平與國際先進水平的差距，從結構調整、節能技術和節能管理等方面提出了節能降耗的主要措施。已有研究中未見對我國制漿造紙工業的能源消耗和碳排放估算的研究，而準確計算和掌握我國制漿造紙工業的能耗、碳排放量及主要因素的影響情況對準確評價制漿造紙工業在溫室氣體排放中的地位與作用具有重要意義，并為制漿造紙工業的可持續發展及戰略制定提供重要依據。

圖1 制漿造紙工業供應鏈基本模式

1 材料與方法

1.1 制漿造紙工業供應鏈模式

因我國制漿造紙工業的特殊性，進行能耗和碳排放研究必須考慮進入供應鏈系統的的原料來源，我國制漿造紙工業的基本供應鏈模式如圖1所示。

制漿廠的原料可大致分為原木、木片、廢紙及其他非木纖維;其中木片和廢紙的來源還包括進口部分。造紙廠除使用國內各類紙漿，還使用各類進口紙漿。如果國產紙產品不能滿足國內市場需求，則還需一部分的進口紙品。各類紙品在消費者處使用后一部分被回收，其余則被丟棄。

本研究在進行制漿造紙工業能源消耗和碳排放的估算中，把原料分為三類:木質纖維、回收纖維以及非木纖維。木質纖維包括原木和木片，考慮到各國產業保護和運輸效率等原因，進口木質纖維僅包含進口木片;回收纖維即廢紙，包括國內回收廢紙和進口廢紙;非木纖維指國內非木纖維。向造紙廠供應的紙漿分為國內紙漿和進口紙漿，由國內制漿廠生產的紙漿均為國內紙漿。因數據可得性的原因，僅粗略地將木漿分為化學漿和機械漿兩大類。本研究僅關注纖維，特別是木質纖維，因而制漿造紙過程中的其他物質(如填充物等)則未考慮。

1.2 計算邊界

圖2 我國制漿造紙工業供應鏈能源消耗概況圖

基于我國制漿造紙工業供應鏈的基本模式，制漿造紙工業能源消耗概況如圖2所示，根據IPCC指導原則，假設森林的永續經營，生物碳排放可不予計算，即木質纖維在生長過程中的碳排放以及廢紙處理時 (如焚燒)的碳排放不予計算。但從能源消耗的角度，認為原料若不用于制漿造紙，可用于生產能源以替代化石燃料的消耗，從而減輕碳排放。故隨著原料投入供應鏈，可計算相應的碳排放。此外，為了區分國內原料和進口原料，對于進入供應鏈的國內原木及木片按我國當前土地利用情況計算相應的碳匯量。假設在林紙一體化戰略下，對制漿造紙工業木質原料的供應是從更多進行森林經營而獲取的更多木材產出得到的。為了進行全周期的評價，假設市場消費的紙品未回收的部分都將與市政垃圾一同焚燒，且焚燒產生的熱值將被利用，從而得到碳排放的減輕［8］。2011年我國市政垃圾焚燒率僅為17.3%，但垃圾無害化處理率已達86.9%［13］。廢紙經過無害化處理方式并不會造成碳的消耗，且本研究更多的關注廢紙中的碳量，但該假設可能造成對廢紙回收能源的過高估算。

1.3 計算方法

基于本文的研究方法，碳排放是隨著能源的消耗而產生的，同時，能源的產出則被記為碳排放的減輕。能源消耗包括能源投入和能源產出兩部分，能源投入引起碳排放，而能源產出能減輕碳排放。能源消耗量等于能源投入與能源產出之差。熱能的轉換效率取為90%，電能的轉換效率取35%［14］。

1.3.1 能源消耗

(1)能源投入

供應鏈中主要的能源投入有森林培育、砍伐、切片過程中的能源投入、原料能源投入、運輸能源耗用、制漿造紙過程中熱能和電能的耗用。

森林培育、砍伐、切片過程中的能源投入計算見式(1):

式中，Dw為木片的體積，m3;μ1為森林培育、砍伐及切片過程中的單位能耗，本文取0.07 GJ/m3［1］。

原料能源投入計算見式 (2):

式中，Mw為生物質的數量，即原料的木材當量，相應的木漿和廢紙通過轉換系數轉換成標準生物質量，化學漿的轉換系數取為1.11，機械漿的轉換系數取為2.22，廢紙的轉換系數取為 1.85［6］;μ2為單位生物質所包含的能量，本文取 18 GJ/m3［15］。

運輸能源耗用的計算見式 (3):

式中，M為運輸物的質量，t;d為運輸距離，km;μ3為每噸公里的能源消耗，本文取 0.01922 GJ/t·km［16］。國內生產物的平均運輸距離設為150 km，進口物的平均運輸距離設為500 km［11］。

制漿造紙過程中的電能和熱能的消耗計算見式(4):

式中，Eeli(kWh/t)和Ehei(GJ/t)分別為生產單位i種產品所消耗的電能和熱能;ε(0.00857 GJ/kWh)和φ(1.11)分別表示由主要能源生產電能和熱能的生產系數;Wpi表示i種產品的質量，t。

相關參數取值如表1所示。

表1 單位產品的電能和熱能消耗數據

(2)能源產出

制漿過程中的副產品可以用于生產能源，如造紙黑液及造紙廢棄物。制漿和造紙過程中的能源產出計算方法和制漿造紙過程中的能源消耗相同，采用式(4)計算。

此外，紙產品中也包含有能源。一方面，回收的廢紙再用于造紙計算同生物質原料能源投入，采用式(2)計算。我國目前的廢紙回收率約為47.4%。另一方面，廢棄廢紙燃燒產生的能源用其產生的電能估算，計算公式如式 (5)所示。

式中，Eelg表示每噸廢紙燃燒產生的電能，kWh/t;Mwpi表示廢棄廢紙的質量，t。

單位能源產出值如表2所示。

表2 單位產品的電能和熱能產出數據

制漿造紙過程中使用的不同方法和設備導致的能源消耗與產出相差較大，但總體而言，我國制漿造紙工業的能耗和歐洲造紙發達國家相當［21］。

1.3.2 碳排放

根據IPCC的碳排放系數，制漿造紙工業的碳排放可根據能源消費量與碳排放系數的乘積求得，如式(6)所示。森林培育、砍伐、切片中使用的能源按我國主要能源 (煤)計算;目前我國制漿造紙原料運輸過程大多采用卡車運輸，故運輸過程中的主要能源取柴油計算。

式中，ELUi表示第i個過程中總的電能投入;ELGj表示第j個過程中的總電能產出;HEUi表示第i個過程中總的熱能投入;HEGj表示第j個過程中總的電能產出。α、β、γ、θ分別為電能、熱能、煤炭和柴油的排放系數;τ為當前土地利用情況下，我國每生長1 m3木材形成的碳匯。各參數在本文中取值如表3所示。

表3 碳排放系數取值表

2 結果與分析

根據以上計算思路和計算方法，利用仿真軟件Extendsim8.0進行制漿造紙工業供應鏈的建模，從而計算出我國制漿造紙工業的能耗及碳排放。

2011年，我國制漿造紙工業總能源投入為5650.18 PJ(1 PJ=106GJ)，各部分投入比例組成如圖3所示。其中，森林培育、砍伐、切片能源投入1.26 PJ，所占比例幾乎可忽略不計;生物質原料能源投入為3169.92 PJ，占總能源投入的56%;運輸能源投入為597.64 PJ，制漿過程中的能源投入為504.08 PJ，占總能源投入的11%;造紙過程中的能源投入為1021.40 PJ，占總能源投入的18%;非木漿能源投入355.88PJ，占總能源投入的6%。能源總產出為2435.56 PJ，其中制漿造紙過程中的能源產出為397.6 PJ，廢紙焚燒產生的能源為630.01 PJ，保留在回收廢紙中的能源為1531.70 PJ。可見，若不包括生物質能源投入，則制漿造紙總的能源消耗是較少的。

圖3 各部分能源投入比例組成

2011年我國制漿造紙工業能源總消耗為3214.62 PJ，除去少量出口，國內消費的噸紙能源消耗為31.07 GJ。制漿造紙工業的總碳排放為149.74 Mt-CO2e，噸紙CO2排放量約為1543 kg CO2e。計算值與我國能源統計年鑒中的數值有較大差異，是因為能源統計年鑒考量的是工業過程中為完成生產而投入使用的其他能源，而本文從制漿造紙原料 (木纖維)的能源本質出發，計算的能耗值中包括原料本身作為能源的能耗。碳排放量的計算也是基于相同的視角。表4給出了不同文獻中的一些主要國家的制漿造紙工業的能源消耗和碳排放數據。不同的估算方法、估算依據和視角，甚至是不同的估算目的均會產生不同的結果，而討論的核心在于哪種方法和視角更能客觀準確地評價特定行業的能耗及碳排放。此外，不同國家的制漿造紙工業碳排放和該國使用的主要能源類型及其使用效率以及廢紙回收率的大小也具有高度的相關關系。

表4 不同國家制漿造紙工業的能源消耗和碳排放比較

因各國能源效率、制漿造紙工業使用的主要能源、漿種比例、原料組成結構等情況差異較大，能源消耗和碳排放的估算值也有較大差異。本文估算的噸紙能源消耗與表4中所示主要國家的能耗基本在同一數量級，但噸紙CO2排放的估算值較大，這是因為本文的估算方法并未考慮進口原料在生產國的碳匯，而計算了這些原料對應的碳排放當量。近年來，人們逐漸認識到國際貿易對碳排放的影響［26-27］，正在積極推動從基于生產地的計算方法向基于消費地的計算方法的轉變［28-29］。而目前我國制漿造紙供應鏈上的投入量，尤其是原料部分，進口量所占比例較大。其他文獻在進行國家制漿造紙工業能源消耗和碳排放估算時未考慮進口的影響，同時Heath［25］也指出將進口的影響加入到碳排放的估算中會使碳排放的估算值增大。

在本文提出的估算方法下，首先，若供應鏈中的國產木材比例增加將帶來供應鏈碳排放的減少;其次，紙漿供應中，國產木漿的比例增加將帶來能源消耗量的減少以及供應鏈碳排放的減少，這與我國近年來積極推動的林漿紙一體化戰略是相一致的;林漿紙一體化戰略不僅能有效緩解我國木材對外依存度大的現狀，也能為節能減排戰略的推進以及提高我國在國際上履約談判的主動性產生積極作用。因此，本文提出的估算方法將供應鏈上的進出口商品的影響考慮進來是合理的，有助于正確把握原料對外依存度對供應鏈碳排放的影響，有利于我國制漿造紙工業的發展戰略乃至木質林產品產業的發展戰略的制定。

3 結論

通過對我國制漿造紙工業的分析，提出從供應鏈的角度對制漿造紙工業的能源消耗和碳放量進行估算，包括從森林培育、砍伐、制漿、造紙、消費等主要生命周期。立足于基于消費地的計算方法，將森林培育中產生的碳匯包括進來以區別國產木材和進口木材對供應鏈碳排放的影響。

一方面，計算結果說明，在合理的土地利用變化范圍內，積極推進我國木材需求的自給自足有利于降低我國制漿造紙工業的碳排放。另一方面，對進口原料與國產原料以不同的方法計算充分考慮了不同國家林業發展水平以及制漿造紙供應鏈的能源消耗和碳排放水平的差異，有利于制漿造紙全球供應鏈的形成與發展。

隨著制漿技術的不斷進步，利用制漿過程的副產品進行能源的生產使得制漿過程不再是能源消耗過程，而是能源產出過程，減少對進口木漿的依賴，能在一定程度上減少我國制漿造紙工業的能源消耗和碳排放。

將制漿造紙工業原料折算成供應鏈的能源投入，能充分體現制漿造紙工業原料的特殊性及多用途性(人造板、生物質能源等)，該計算方法下的計算結果有助于指導生物質的最佳用途。

總之，從供應鏈視角進行制漿造紙工業的能源消耗和碳排放的研究符合當前國際上對碳排放核算的一致認識，有助于更合理的對一個國家制漿造紙工業進行能源消耗和碳排放的核算。本文利用提出的基于供應鏈視角的估算方法對我國制漿造紙工業的能源消耗和碳排放進行了估算，估算結果對我國制漿造紙工業的發展具有重要的參考和促進意義。

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

陳詩一.能源消耗、二氧化碳排放與中國工業的可持續發展［J］.經濟研究，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.

文龍光，易偉義.低碳產業鏈與中國低碳經濟推進路徑研究［J］.科技進步與對策，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.

李威靈.我國造紙工業的能耗狀況和節能降耗措施［J］.中國造紙，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.

劉煥彬，李繼庚，陶勁松.發展低碳造紙工業的幾點思考［J］.中國造紙，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.

中國造紙學會.2011年中國造紙年鑒［J］.北京:2011年中國輕工業出版社，2012.

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

陳慶蔚.廢紙造紙業的未來前瞻［J］.中華紙業，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 軍，張 旭.中國工業部門能耗碳排放分解與低碳策略研究［J］.資源科學，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.

張智慧，劉睿劼.基于投入產出分析的建筑業碳排放核算［J］.清華大學學報(自然科學版)，2013，53(1):53.

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

徐文龍.我國生活垃圾處理政策與“十二五”規劃［J］.建設科技，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.Jyv?sky?，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.

劉秉鉞.我國造紙工業能耗的發展變化與現狀分析［J］.中國造紙，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.

國家發展改革委，工業和信息化部，國家林業局.造紙工業發展“十二五”規劃.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.基于投入產出分析的中國國際貿易碳排放研究［J］.北京師范大學學報(自然科學版)，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