“雙碳”目標約束下企業CO2協同減排路徑研究

宋文健,趙夏斐,索海翔

(1.中國地方煤礦有限公司,北京 100011; 2.中煤集團碳資產管理中心,北京 100011;3.中國礦業大學(北京),北京 100083)

隨著社會各行各業的飛速發展,我國碳排放量逐年上升。國際能源署曾有報告明確指出:中國和美國是CO2排放量增長速度最快的兩個國家。隨著生態文明建設的加快,低碳經濟成為了社會發展的重要戰略方針,是各行各業發展和生產的制約因素。

制漿造紙業目前處于全球工業能源消耗行業排行榜第四位,2018年,全球制漿造紙業共消耗工業能源約4.17EJ,其中,我國占了20%,碳排放量為全球的30%左右。隨著我國紙張需求量的不斷增長,碳排放量仍在持續增加[1]。由于我國制漿造紙業的主要能源為煤,未來行業發展所產生的碳排放問題,對我國生態環境來說是個巨大的挑戰。

基于此,國家提出了“雙碳”目標,即爭取在2030年使CO2排放量達到峰值,并于2060年實現碳中和。國家提出的“雙碳”目標,也代表了對減污降排工作的決心,同時也出臺了多項有利于各區域、各行業節能減排、降碳的政策和策略,積極采取各項措施攻克減污降碳難題。本文以“雙碳”目標為約束,針對企業的CO2排放問題,進行協同減排路徑的研究。本文研究的對象主體是一家知名的制漿造紙聯合工廠,利用核算指南和溫室氣體核算體系對其展開核算和分析,得到該廠的CO2排放量;分析影響企業CO2排放量的影響因素,確定主要因素為能源消耗,能源消耗的增加帶動企業CO2排放量的增加;給出3點適合企業CO2減污降排的措施,并對其展開實驗測試,結果也驗證了3項措施可從根本上解決企業的CO2排放問題,并為企業節省一大筆能源支出費用。

1 企業CO2排放量計算方法

利用核算指南[2]中的推薦值和實驗室測定值分析企業的碳排放因子,并運用溫室氣體核算體系分析和計算企業的碳排放量,最終提出適合企業節能減排的綠色發展路徑。

利用核算指南計算企業CO2排放量主要包括以下幾個步驟:

(1)確定核算邊界;

(2)確定CO2排放源;

(3)獲取活動水平數據;

(4)對碳排放因子進行篩選和采集;

(5)對企業產品生產過程、燃料燃燒過程、消耗電力和熱力過程產生的碳排放量分別進行計算;

(6)對上述產生的總碳排放量進行匯總計算。

溫室氣體核算體系對企業中那些碳排放較少、影響較小的因素忽略不計,對具體核算過程進行詳細描述。

1.1 企業信息

本文選擇的企業為一家具有代表性的制漿造紙聯合工廠,原材料為多種不同種類的木材,該廠擁有2臺紙板機和2臺漿板機,主要生產產品為各類木漿、液體包裝紙板[3]以及白卡紙等。表1給出了該廠紙板機和漿板機的各類參數。

表1 紙板機和漿板機具體參數

1.2 溫室氣體種類

溫室氣體核算體系主要針對的對象為CO2、CH4以及氧化亞氯三種,氣體只有CO2、CH4兩種。由于工廠廢水處理過程不會有任何CH4的產生,所以研究的對象只有CO2一種。

1.3 核算邊界

確定核算邊界的目的是評估工廠在產品生產過程、原材料運輸及加工過程、以及燃料燃燒過程產生的碳排放量。制漿造紙工廠核算邊界[4]如圖1所示。

圖1 制漿造紙聯合工廠核算邊界

通過圖1可以看出,制漿造紙聯合工廠的碳排放主要從五個部分產生:第一部分是化石燃料燃燒[5]產生的CO2。該廠化石燃料主要是煤炭,還包括液化氣、天然氣、重油等,以及黑液、甲醛、木屑等在內的生物質能?；剂辖涍^充分燃燒后會產生大量的CO2,本文主要采集這一部分數據;第二部分是過程碳排放,主要為石灰石分解后產生的CO2;第三部分、第四部分分別是消耗電力和熱力產生的CO2;第五部分是工廠廢水處理后產生的CH4,由于本文采用的是好氧法處理廢水,所以不會有CH4的產生,這部分可不做考慮。

1.4 企業CO2排放量計算

通過式(1)對制漿造紙聯合工廠CO2的總排放量進行核算:

(1)

式中:Ei為工廠燃燒不同種類燃料產生的碳排放量,萬t,i=1,2,3表示燃料種類;E1為燃燒化石燃料產生的碳排放量,萬t;E2為過程碳排放量,萬t;E3為工廠消耗電力和熱力產生的碳排放量。

E1表達式為

(2)

式中:EFi為第i種燃料的CO2排放因子[6],計算公式如式(4)所示;ADi為單位年度內,第i種燃料的活動水平,計算公式為

ADi=NCVi×FCi

(3)

式中:NCVi為一年時間內工廠燃燒第i種燃料產生的低位發熱量,kW·h;FCi為工廠在一年時間內消耗的第i種燃料總量,J/(kg·K)。

(4)

E2表達式為

E2=L×EFshs

(5)

式中:L為該工廠一年內消耗的石灰石總量;ADr為石灰石的CO2排放因子。

E3表達式為

E3=ADd×EFd+ADr+EFr

(6)

式中:ADd為該工廠一年內凈購入的電量,C(A·s);ADr為該工廠一年內凈購入的熱量,J/(N·m);EFd、EFr分別表示電和熱的年均CO2排放因子。

為了制漿造紙聯合工廠CO2排放量核算結果更加精準,需要明確FCi、L、ADd、ADr、NCVi以及其他燃料的CO2排放因子EFi。ADd和ADr通過工廠的購買發票、財務報表和審計報告獲取,NCVi和EFi在沒有實驗室測定值的前提下,可選擇核算指南中的缺省值來代替。電網年均CO2排放量會由于地理區域位置的不同而存在較大的出入,這部分數據要參考當地相關部門發布的最新數據。木屑、黑液、重油和甲醛的NCVi、以及熱量產生的蒸汽和甲醛的EFi均使用實驗室測定值。

2 企業CO2排放量影響因素分析

通過上述分析,得到企業CO2排放量的影響因素主要為能源消耗,但是不知道能源消耗與CO2排放量之間的具體關系、以及如何控制能源消耗量來減少CO2的排放。因此,本文主要考慮能源消耗對CO2排放量的影響,進而給出相應的協同減排路徑方案。

能耗集合了制漿造紙過程中所有工序的能耗之和,即:

(7)

式中:G為工廠能耗總和,kW·h;j為工廠消耗的能源種類;ej為在單位時間內消耗的第j種能源總量;Qj為消耗第j種能源產生的熱值,J/(kg·K)。

將EFi和式(7)進行整合,得到能源消耗與CO2排放量之間的關系,如式(8)所示:

(8)

由式(8)可知,CO2排放量與能耗之間存在著協同效應,企業能耗增加的同時必然會帶動起CO2排放量的上升。

3 “雙碳”目標約束下企業CO2協同減排路徑

“雙碳”目標[8]的提出,表明國家對減污降排工作的重視程度。制漿造紙企業由于在生產加工過程中會產生大量的CO2,作為支柱性產業之一,能否嚴格控制CO2的排放已經成為整個減排工作的重中之重。制漿造紙工廠的協同減排工作必然是在合理且有效的措施上實施的[9]。本文就上文分析,針對制漿造紙企業給出了以下幾點協同減排路徑方案。

3.1 提高企業各部門技術水平,減少CO2排放

要從根本上控制CO2排放,達到協同減排的目的,提高制漿造紙企業各部門的技術水平是首要目的[10]。提高煤炭燃燒水平和原材料處理技術,不僅可以保證煤炭資源被充分利用,降低能源消耗、為社會經濟做出貢獻,同時還可以提高原材料利用率,減少原材料的碳排放量,達到節能減排的目的。

3.2 提高企業管理水平,增加綠色科研投入

制漿造紙聯合工廠擁有數百名工人,必須提高對工人的管理水平,制定人員規范準則[11],以標準化準則約束工人,杜絕任人唯親,避免工人之中出現“小團體”。與此同時,針對企業現有工人團隊,一方面可以對現有工人和部門作出優化,裁掉沒有綠色價值的部分;另一方面,增設一些綠色創新部門和崗位,日常工作圍繞節能減排、企業綠色發展等展開,將責任落實到每一個工人的身上,從而達到節能減排的目的。

3.3 提高綠色創新能力,把控好每個環節

創新是制漿造紙企業生存發展的唯一途徑,要想從根本上控制CO2的排放,要提高企業的綠色創新能力[12]。首先,從原材料的開采、運輸再到加工,每個環節都要遵循綠色理念;其次,對于人員的選擇、技術的引進等同樣也需要有所創新。企業可以通過與高校、相關研究機構或者能源依賴型企業合作的方式,引進先進綠色新興技術,提高企業自身綠色技術研發能力,從而實現減污降排[13]。具體實施過程可分為以下幾個步驟:

(1)增加企業對可再生能源的使用率,爭取將化石燃料替換為太陽能、風能等。

(2)提高企業碳捕捉和碳封存的能力,增加碳匯資源存儲量。

(3)增強企業低碳低排放、高附加值轉化技術的研發能力,從根本上降低能源消耗,從而降低CO2的排放。

(4)增強企業現有基礎設施建設,尤其是使用頻率較高的設備,做好定期維護和保養,降低事故發生的概率[14]。同時,企業還應根據自身能力引進先進設備,對現有的設備進行更新換代,為更好地開展節能減排工作提供先進設備和工藝[15]。

4 實驗測試

為了驗證本文方法在實際應用中是否同樣合理有效,對其展開實驗測試。實驗在國內某知名制漿造紙廠進行,該廠擁有1臺漿板機和1臺紙板機。

首先,對比應用本文方法后,該廠在2019—2021年的CO2排放量,結果如圖2所示。

圖2 應用本文方法前后CO2排放量對比

從圖2中可以很明顯地看出,應用本文方法后,該廠CO2排放量出現了大幅下降的情況,連續四年均低于未應用本文方法前,說明該廠的CO2排放問題得到了有效控制,從而驗證本文方法的有效性。同時從圖2中還可以看出,未應用本文方法前,CO2排放量為逐年上升,這是由于該廠在沒有采取任何節能減排措施的前提下,仍然加大生產,造成了CO2排放量逐年增加的現象;而應用本文方法后,CO2排放量為逐年下降,這是由于該廠采取了相應的節能減排措施后,嚴格把控生產中的各項環節,不斷引進先進技術和設備,使得CO2排放量逐年降低。

其次,對比應用本文方法前后,該廠在2019—2021年的能源利用情況和化石燃料燃燒情況,結果如圖3所示。

圖3 應用本文方法前后能源利用和燃料燃燒對比

由圖3可知,應用本文方法后,該廠的能源利用率和化石燃料燃燒率均得到了有效提升,從而為該廠節省了一筆不小的費用。這是由于本文方法主張節能減排,只有提高能源利用率和燃料燃燒率,才能從根本上控制CO2的排放。

接下來,對比應用本文方法前后,該廠在2019—2021年因能源消耗所花費的費用,結果如圖4所示。

圖4 應用本文方法前后能源消耗費用對比

通過觀察圖4可以得知,在應用本文方法后,該廠每年因能源消耗所產生的費用均得到了降低。這是由于應用本文提出的節能減排措施后,提高了能源利用率和化石燃料燃燒率,從而降低了能源開銷費用,為企業節省了一部分費用。

最后,將本文方法應用到該廠,對本文提出的3項協同減排措施效果進行實驗測試,驗證3項措施具體的CO2減排量,結果如圖5所示。從圖5中可以看出,本文方法中的措施1共減少CO2排放量315萬t,措施2共減少CO2排放量400萬t,措施3共減少CO2排放量276萬t。對比之下可以發現,措施2為企業節能減排做出的貢獻最大、效果最明顯。

圖5 本文3項措施具體CO2減排量

5 結 論

企業CO2的大量排放,致使生態環境問題愈發嚴重,如不及時采取措施減污降排,環境將發生不可逆轉的破壞。本文選取一家制漿造紙聯合工廠,在該廠內應用核算指南和溫室氣體核算體系,對CO2排放量進行分析和核算,并對影響CO2排放量的因素進行分析,確定能耗與其之間的關系,從而給出三點關于協同減排的建議。通過進行實驗測試,本文提出的CO2協同減排路徑取得了非常理想的成效,在降低企業能源開銷的同時,提高了能源利用率和化石燃料燃燒率,為企業節省了一大筆的費用開銷,助力企業向更先進的方向發展。