中國造紙和紙制品行業碳排放特征及減排路徑分析

何旭丹 王煥松，* 賈學樺，* 黨 盼 張 亮 付裕武 程言君

（1.北京市科學技術研究院資源環境研究所，北京，100089；2.中國輕工業聯合會，北京，100037）

近年來，全球氣候、環境、資源和能源等方面的問題日益凸顯，嚴重威脅生態文明建設及可持續發展[1]。隨著工業化進程不斷推進，2009年，中國二氧化碳排放量已高于美國，成為了全球最大的二氧化碳排放國家；同時，中國二氧化碳排放量超過美國和歐盟國家總和，占全球29.37%[2]。截止2022年初，在應對全球碳減排行動進程中，已有136個國家發布了碳中和目標，45個國家頒布了碳中和相關政策文件與法律法規。中國《“十四五”工業綠色發展規劃》和《2030年前碳達峰行動方案》提出了碳排放量降低18%和單位生產總值能源消耗降低13.5%的明確目標，以期2030年實現碳達峰。造紙工業是中國工業的重要組成部分，且屬于能源密集型的第一產業。2021年，造紙工業能耗約占全國制造業能耗總量的1.4%[3]。同時，中國是全球最大的紙和紙板的生產國和消費國[4]，隨著人口增長和人民生活水平不斷提高，紙制品的種類和數量也在不斷增加，2022年，中國紙和紙板產量達到124.25×106t，較2021 年增長2.6%。目前，造紙及紙制品行業仍處于工業快速發展及能源消耗的上升階段，其對應的碳排放量也持續增加[5]。

中國造紙和紙制品行業正在深入推進節能減排等綠色制造體系建設工作，相關部門先后頒發了《工業綠色發展規劃（2016—2020年）》《關于做好2022年企業溫室氣體排放報告管理相關重點工作的通知》等文件，出臺了GB 31825—2015《制漿造紙單位產品能源消耗限額》等行業能耗限額標準，以及GB/T 35613—2017《綠色產品評價紙和紙制品》等行業綠色制造標準，有效促進了行業節能降耗和技術升級，單位產品綜合能耗不斷降低。此外，隨著中國“雙碳”目標政策體系的實施[6-8]，造紙和紙制品行業正在有序開展“雙碳”路徑的相關研究工作[9-12]，提出實現碳達峰、碳中和的關鍵舉措。

造紙和紙制品行業的碳減排活動對中國碳排放總量控制及人類和自然的可持續發展有著至關重要的作用[13]。因此，本文以碳排放系數法為基礎核算碳排放量，分析了該行業的能源消耗量、碳排放特征及未來碳排放趨勢，研究了行業碳排放的主要影響因素，并提出了相關節能降碳的工藝技術路徑，為中國進一步推動行業的碳排放核算體系及碳中和評估方法的標準化建設，以及行業能源效率提升和綠色低碳轉型的發展提供理論指導及參考。

1 研究與核算方法

1.1 識別排放源

目前，中國造紙行業已發布《造紙和紙制品生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》文件（以下簡稱“核算指南”），核算指南中包含二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）2 種溫室氣體。因此，在造紙和紙制品行業的生產工藝流程中，涉及碳排放的環節主要由2部分組成（圖1），如圖1所示：①將植物纖維原料、廢紙原料生產為紙漿；②利用制備的紙漿進行紙和紙制品生產；③生產過程中產生的廢水處理。

圖1 造紙和紙制品工藝流程及碳排放環節Fig.1 Production process of paper and paper products with carbon emission

因此，根據核算指南考慮的工藝流程，排放源類別分別包括化石燃料燃燒、過程、廢水厭氧處理和凈購入電力/熱力產生的排放。造紙和紙制品行業各排放源的具體排放內容如表1所示。

表1 造紙和紙制品行業碳排放源分類Table 1 Classification of carbon emission sources in paper and paper products industry

1.2 確定核算邊界

參考核算指南文件中的規定，本文中核算邊界為主體和輔助生產系統，以及為生產過程服務的附屬系統；其中，輔助生產系統包括動力、供電、供水、化驗、機修、庫房、運輸、廢水處理系統等，附屬生產系統包括生產指揮系統（廠部）和廠區內為生產服務的部門和單位（職工食堂、車間浴室、保健站等）。

1.3 碳排放量計算

參考核算指南文件中的核算方法，造紙和紙制品企業的碳排放總量等于核算邊界內所有生產系統的化石燃料燃燒排放量、過程排放量、凈購入電力與熱力產生排放量，以及廢水處理排放量之和，按式(1)計算。

式中，E為碳排放總量，tCO2e；E燃燒為化石燃料燃燒排放量，tCO2；E過程為過程排放量，tCO2；E廢水為廢水厭氧處理產生的排放量，tCO2e；E電和熱為凈購入電力與熱力產生排放量，tCO2。

1.3.1 化石燃料燃燒排放

化石燃料燃燒導致的碳排放量是各種化石燃料燃燒產生的CO2排放量的和，按式(2)計算。

式中，ADi為第i種化石燃料的活動水平，GJ；EFi為第i種化石燃料的CO2排放因子，tCO2/GJ。

1.3.1.1 活動水平數據獲取

化石燃料燃燒的活動水平是各種化石燃料的消耗量與平均低位發熱量的乘積，按式(3)計算。

ADi= NCVi·FCi（3）

式中，NCVi是第i種燃料的平均低位發熱量，采用核算指南附錄二所提供的化石燃料相關參數推薦值，固體或液體燃料單位為GJ/t，氣體燃料單位為GJ/萬Nm3；FCi是第i種燃料的凈消耗量，固體或液體燃料單位為t；氣體燃料單位為萬Nm3。

造紙和紙制品行業的能源消耗實物量數據來源于2015—2020 年《中國統計年鑒》中“行業分能源消耗量”數據，結合常用化石燃料相關參數推薦值，化石燃料燃燒的活動水平的計算結果如表2所示。

表2 造紙和紙制品行業化石燃料的活動水平Table 2 Levels of fossil fuel activity in paper and paper products industries

1.3.1.2 排放因子數據獲取

造紙和紙制品生產過程中化石燃料燃燒的CO2排放因子按式(4)計算。

式中，CCi為第i種燃料的單位熱值含碳量，采用核算指南附錄二所提供的推薦值，tC/GJ；OFi為第i種化石燃料的碳氧化率，采用指南附錄二所提供的推薦值，%。

化石燃料燃燒的CO2排放因子計算結果如表3所示。

表3 造紙和紙制品行業化石燃料燃燒的CO2排放因子Table 3 CO2 emission factors from fossil fuel combustion in paper and paper products industries

1.3.1.3 化石燃料燃燒排放量核算結果

根據上述活動水平數據與排放因子數據相關公式，造紙和紙制品行業化石燃料燃燒排放量的核算結果如表4所示。

表4 造紙和紙制品行業化石燃料燃燒的CO2排放因子Table 4 CO2 emission factors from fossil fuel combustion in paper and paper products industries

1.3.2 過程排放

造紙生產過程中過程排放量是外購并消耗的石灰石（碳酸鈣）發生分解反應產生的CO2排放量。結合國內重點企業的調研結果，造紙和紙制品行業過程排放量按式(5)計算。

E過程=L·EF石灰（5）

式中，L為石灰石原料消耗量，t；EF石灰為煅燒石灰石的CO2排放因子，tCO2/t石灰石。

1.3.2.1 活動水平數據獲取

煅燒石灰石的生產在化學漿法生產木漿的石灰窯工段，單位木漿產品的石灰石原料消耗量約0.015 t石灰石/t[14]。根據中國造紙協會數據顯示，2015—2020年中國木漿年產量分別為966萬、1005萬、1050萬、1147萬、1268萬和1490萬t。中國是紙漿進口大國，自產木漿遠遠不滿足紙類生產所需，故可認為所生產的木漿全部為造紙和紙制品行業自用。因此，2015—2020年造紙和紙制品行業的石灰石原料消耗量分別為14.5萬、15.1萬、15.8萬、17.2萬、19.0萬和22.4萬t。

1.3.2.2 排放因子數據獲取

過程排放的排放因子EF石灰采用核算指南推薦值0.405 tCO2/t石灰石。

1.3.2.3 過程排放量核算結果

根據上述活動水平數據與排放因子數據相關公式，造紙和紙制品行業過程排放量的核算結果如表5所示。

表5 造紙和紙制品行業過程排放量核算結果Table 5 Paper and paper products industry process emissions accounting results

1.3.3 廢水厭氧處理的排放

造紙和紙制品生產過程中產生的工業廢水經厭氧處理產生的甲烷排放量按式(6)計算。

E廢水=ECH4_廢水·GWPCH4·10-3（6）

式中，GWPCH4為甲烷的全球變暖潛勢值，根據《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》，GWPCH4取21；ECH4_廢水為廢水厭氧處理過程甲烷排放量，kg，按式(7)計算。

ECH4_廢水=(TOW -S)·EF -R（7）

式中，TOW 為廢水厭氧處理去除的有機物總量，按式(8)計算，kg；S為以污泥方式清除掉的有機物總量，kg；EF 為甲烷排放因子，kg CH4/kg COD；R為甲烷回收量，kg。

TOW =W·(COD進- COD出) （8）

式中，W為厭氧處理過程產生的廢水量，m3；COD進為厭氧處理系統進口廢水中的化學需氧量濃度，kg /m3；COD出為厭氧處理系統出口廢水中的化學需氧量濃度，kg /m3。

1.3.3.1 活動水平數據獲取

結合國內重點企業的調研結果，造紙和紙制品行業單位產品在厭氧處理過程中所產生的廢水量約20.5 m3/t，厭氧處理系統進口廢水中CODCr濃度約4.9 kg/m3，厭氧處理系統出口廢水中CODCr濃度約0.6 kg/m3；單位產品以污泥方式清除掉的有機物總量約37.4 kg COD/t，甲烷回收量約4.7 kg CH4/t。

1.3.3.2 排放因子數據獲取

甲烷排放因子按式(9)計算，結果為0.125 kg /kg COD。

式中，Bo 為厭氧處理廢水系統的甲烷最大生產能力，kg CH4/kg COD，本文采用核算指南文件的推薦值0.25 kg CH4/kg COD；MCF 為甲烷修正因子（無量綱），反映了厭氧處理廢水系統的厭氧程度，表示不同處理和排放的途徑或系統達到的甲烷最大產生能力的程度，本文采用核算指南文件的推薦值0.5。

1.3.3.3 過程排放量核算結果

根據上文活動水平數據與排放因子數據相關公式，造紙和紙制品行業單位產品廢水厭氧處理去除有機物總量為88.15 kg COD/t，廢水厭氧處理過程甲烷排放量為1.6 kg CH4/t，單位產品廢水厭氧處理的排放量的核算結果為0.035 tCO2e/t。

1.3.4 凈購入電力與熱力產生的排放

購入的電力/熱力消費所對應的能源生產環節CO2排放量，按式(10)計算。

式中，AD電為凈外購電量，MWh；EF電為區域電網年平均供電排放因子，tCO2/MWh；AD熱為凈外購熱力，GJ；EF熱為平均供熱排放因子，tCO2/GJ。

1.3.4.1 活動水平數據獲取

造紙和紙制品行業的凈外購電量數據來源于2015—2020 年《中國統計年鑒》。2015 年電力消耗實物量為6.35×107MWh，2016 年電力消耗實物量為6.76×107MWh，2017 年 電 力 消 耗 實 物 量 為7.12×107MWh，2018 年電力消耗實物量為7.28×107MWh，2019 年電力消耗實物量為7.45×107MWh，2020 年電力消耗實物量為7.98×107MWh。結合國內重點企業的調研結果，造紙和紙制品生產企業年購熱量相對較小或無外購熱力，因此凈外購熱力的活動水平數據可忽略不計。

1.3.4.2 排放因子數據獲取

核算指南要求電力消費的排放因子EF電數據選用國家主管部門最近年份公布的電網排放因子。根據中國生態環境部印發的《關于做好2022年企業溫室氣體排放報告管理相關重點工作的通知》，并以通知附件的形式更新的《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南發電設施（2022年修訂版）》中規定，全國電網排放因子由0.6101 tCO2/MWh調整為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。熱力消費的排放因子EF熱采用核算指南文件的推薦值0.11 tCO2/GJ。

1.3.4.3 凈購入電力與熱力產生的排放量核算結果根據上文活動水平數據與排放因子數據相關公式，造紙和紙制品行業凈購入電力與熱力產生的排放量的核算結果如表6所示。

表6 造紙和紙制品行業凈購入電力與熱力產生排放量核算結果Table 6 Accounting results of emissions from net purchases of electricity and heat in the paper and paper products industry

2 核算結果分析

2.1 造紙和紙制品行業的碳排放量核算結果

根據中國造紙協會調研數據顯示，2015—2020年中國紙及紙板生產量分別為10710 萬、10855 萬、11130萬、10435萬、10765萬和11260萬t。碳排放總量與單位產品碳排放量的核算結果如表7所示。

表7 造紙和紙制品行業的碳排放總量與單位產品碳排放量Table 7 Total carbon emissions and carbon emissions per unit product of paper and paper products industry

2.2 造紙和紙制品行業的核算結果分析

結合2015—2020 年中國造紙和紙制品行業的碳排放量的核算結果，造紙和紙制品行業碳排放量變化趨勢如圖2 所示。從圖2 可以看到，中國造紙和紙制品行業的碳排放總量在2017 年達到峰值后開始逐步下降。2020 年，隨著行業產能的擴張排放總量又有了一定的反彈，但單位產品的碳排放量在2018 年達到峰值后，開始進入下行階段。

圖2 造紙和紙制品行業碳排放量變化趨勢Fig.2 Trend of carbon emission in paper and paper products industry

圖3 顯示了造紙和紙制品行業碳排放環節占比變化趨勢。如圖3所示，在造紙和紙制品行業的碳排放環節中，化石燃料燃燒排放量的占比在逐年遞減，轉化為凈購入電力/熱力產生的排放。由于行業的專業性不同，電力和熱力行業的化石燃料到其他能源轉化率，一般高于非電力和熱力企業的標準。因此，造紙和紙制品行業碳排放環節占比的變化趨勢，體現了行業通過技術更新，采用外購電力與熱力能源逐步取代企業生產中的化石燃料燃燒，對于能源的使用方式也日益趨于集約化。同時，隨著中國電力交易制度的逐步完善，綠色電力的購買與使用也成為了新的選擇，為通過能源結構調整進行碳減排也帶來了巨大的潛力。

圖3 造紙和紙制品行業碳排放環節占比變化趨勢Fig.3 Trend of carbon emission ratio in paper and paper products industry

為滿足不斷擴大的企業生產和居民生活需求，中國造紙和紙制品行業的產品生產量還在逐年上升，根據中國造紙協會最新統計數據顯示，2021 和2022 年全國紙及紙板生產量分別為12105 萬t 與12425 萬t，同比分別增長7.5%與2.6%。按2020 年單位產品碳排放量0.67 tCO2/t 計算，2021 和2022 年中國造紙和紙制品行業碳排放總量預計比2020 年分別增加563 萬t和777萬t。

3 造紙和紙制品行業的碳減排路徑分析

3.1 完善統籌造紙工業碳排放政策與標準

英國、德國、歐盟等發達國家和地區首先明確了雙碳目標的法律地位，同時逐步制定了碳中和發展的低碳法律法規體系，在工業重點行業設計相對完善的碳排放路線，評估了減排政策的實施效果，并準確制定了中長期氣候目標、全方位的轉型工作部署，后續將統一評估減排、碳排放統計監測、碳預算和碳排放目標進展等協調性。目前，相關國家與造紙工業的行業標準的出現概念不清甚至重復的問題，且造紙類型不同其工藝均不同，涉及的碳工作范圍不一致。為進一步統一造紙工業碳排放政策與標準，應加速完善造紙工業碳排放核算、監測和評估等標準化及統籌機制，制定提高可再生能源占比的相關政策，形成節能低碳的激勵約束機制，構建有利的綠色低碳技能發展的制度體系，加強與國際標準的銜接與一致性。

3.2 有序替代燃料使用與能源結構優化

德國制定了在2038 年脫碳的能源結構轉型目標，歐盟國家也要求相關能源部門實現去碳，實施氫能戰略和能源體系系統化。目前，中國造紙和紙制品行業化石能源排放所占比例約30%，行業及產業鏈上、下游均有較大的下調空間，在能源使用受限的背景下調整能源結構，高效利用生物質燃料、光伏發電、氫能和天然氣等綠色清潔再生能源，探索開展電氣化改造，充分利用太陽能以及造紙廢液廢渣等生物質能源。因此，嚴格合理控制煤炭和石油等化石能源的消費增長，能夠加速降低化石能源的利用率，并有效降低煤炭能源占比，實現向可再生能源體系的脫碳跨越式轉變，加快構建清潔低碳新型能源供應體系是碳中和的核心內容與關鍵途徑，可為進一步降低造紙業碳排放提供有利條件[15]。

3.3 研發碳捕獲、利用與封存等關鍵技術

碳捕集、利用和封存（Carbon Capture Utilization and Storage, CCUS）是碳深度減排實現碳減排及人類社會可持續發展的不可缺少的CO2高值轉化利用的關鍵核心技術，美國、歐盟國家率先加大了對新能源、儲能和脫碳技術等碳中和關鍵研發技術的投資。目前中國造紙工業碳市場不成熟，進行碳利用的產業發展仍具有很大空間，后續應加快對造紙領域CCUS 技術市場的研發。

3.4 降低造紙工業過程碳排放

相關研究表明，企業設備升級改造、改進生產技術及環境管理能力，高效回收利用生產階段產生的廢氣、廢液等能源，應盡可能最大化達到低碳減排的目標，如造紙企業廢水脫硫處理方面，工藝升級將碳酸鈣替代為氧化鈣和氫氧化鈉，能夠降低過程碳排放，堿回收利用技術能夠節省原材料的使用等減污減碳技術，均能大幅程度降低碳排放，從而整體降低碳排放水平。

3.5 有序構建碳排放權交易市場與建設碳排放數據庫

建立完整性、精確性、一致性、可測量和國際化的造紙企業每種能源消耗數據庫，實現標準化可驗證的量化碳排放量的查驗系統，不僅有助于查驗碳排放信息更具公信力、統一性與廣泛性，完善碳交易市場機制的建設，并在國際上面對低碳“卡脖子”要素時，能夠充分證明造紙產品是健全的生態產品且符合國際化標準，可進一步打造中國碳市場與國際接軌的自愿低碳減排機制[16]。

3.6 優先推動地方碳達峰行動與試點示范建設

根據國家制定的碳交易和“雙碳”方案，率先開展碳中和先行試點，因地制宜加速推進綠色低碳發展，如以東莞、江門和湛江等產業重點集中地區，推動不同中小企業入園，實行統一供熱供電，提升造紙工業的綠色化、集約化、高端化水平，廣泛推廣節能等工藝技術，打造造紙工業深度脫碳的林漿紙一體化，逐步實現從源頭減少碳排放，并為全國各省提供可借鑒的經驗做法。另外，可在試點地區優先從國家宏觀政策調控、政策刺激和激勵以及相關獎懲措施等方面，對制漿造紙行業相關企業單位進行政策宣傳，進一步優化碳交易政策和碳匯政策，對減碳效果和措施明顯的企業予以獎勵和表彰，對于減碳不力的企業予以一定懲處和通報，加大力度督促企業從被動減碳到主動減碳，從國家、企業和技術研發單位等多方面協同發力，共同營造全行業積極降碳減排的氛圍和環境。

4 結 語

2018 年是中國造紙和紙制品行業單位產品碳排放的峰值時期，2018 年后，行業的單位產品碳排放量逐年下降，開始進入下行階段。這一階段中，造紙和紙制品行業碳排放的控制，得益于社會整體碳排放意識的逐漸提高與能源結構的整體調整。隨著中國造紙和紙制品行業的產品生產量繼續增加，為了實現“雙碳”目標，碳減排的壓力也越來越大，碳減排能力的進一步提升迫在眉睫。因此，完善統籌造紙工業碳排放政策與標準，構建有利的綠色低碳技能發展的制度體系變得日趨重要，成為中國造紙和紙制品行業持續減排的基礎。

同時，從研究中可以發現，造紙和紙制品行業碳排放的來源主要為化石燃料燃燒排放，以及凈購入的電力/熱力產生的排放，占碳排放總量的95%，過程排放與廢水厭氧處理的排放則相對較少，僅占5%左右。因此，從排放結構上來看，有序替代燃料使用與持續能源結構優化，是降低造紙和紙制品行業碳排放的關鍵手段，將為進一步降低造紙業碳排放提供有利條件。不僅如此，碳捕獲、利用與封存等關鍵技術的研發，現有設備的升級改造，生產技術及環境管理能力的改進，均可以作為造紙和紙制品行業碳減排的重要切入點。

此外，從國家統籌規劃的實踐角度，有序構建碳排放權交易市場與建設碳排放數據庫，優先推動地方碳達峰行動與試點示范建設，也是中國造紙和紙制品行業減排路徑上不可忽視的重要舉措。