造紙行業碳排放解耦及預測分析

摘要： 采用Tapio模型分析了造紙行業碳排放與產量之間的解耦狀態，基于STIRPAT模型預測了不同發展模式下造紙行業的碳排放水平。結果表明，造紙行業碳排放量與產量之間多為強解耦和弱解耦狀態，其中能源強度和電力排放因子是驅動碳排放解耦的主要因素；按照現有模式發展，造紙行業的碳排放量將繼續增長；為實現造紙行業碳排放量的降低，除降低電力排放因子和提高廢紙回收率外，還應綜合采用改善能源效率及加快能源轉型等多種脫碳手段，以實現碳排放從2030年開始由增長轉變為降低狀態的目標。

關鍵詞：造紙行業；碳排放；產量；解耦；預測

中圖分類號：TS7 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 02. 010

造紙行業是重要的基礎原材料產業之一，具有能源消耗高、碳排放量大的特點，是八大高能耗行業之一[1]，也是輕工業領域能源消耗的重點行業[2]；同時，因其天然綠色屬性，造紙行業具備低碳轉型的發展潛力[3]。近年來，一系列節能降碳措施和綠色制造標準的出臺及實施促進了我國造紙行業單位產品綜合能耗的不斷降低[4]，但隨著紙和紙板需求量的快速增長[5-6]，如不采取深度脫碳措施，造紙行業的碳排放量將持續增加[7]。有研究預計，造紙行業實現“碳達峰”時間將滯后于全國碳達峰目標[8]，說明造紙行業完成“雙碳”目標仍將面臨巨大挑戰。

據估算，我國造紙行業的CO2 排放量約為全國總排放量的1%[9]，其來源主要包括：化石能源燃燒的直接排放，生物質燃燒的直接排放，外購電力和熱力的間接排放，化學制漿苛化單元的過程排放，以及廢水厭氧處理的排放[10]。其中，能源消耗產生的碳排放，即化石能源燃燒的直接排放和外購電力或熱力的間接排放，占造紙行業溫室氣體總排放量的95%[7]。因此，本課題主要分析能源消耗引起的碳排放。

造紙行業的脫碳對“雙碳”目標的實現起著關鍵作用。開展碳排放的解耦分析可以定量識別影響碳排放的主要因素，可以明確造紙行業的碳排放特點[11]。本課題通過控制影響因素的變化來預測不同發展模式（優化能源結構、改善能源效率、提高廢紙回收率和降低電力排放因子等方面） 下我國造紙行業的碳排放趨勢，以期為造紙行業的綠色低碳發展提供參考。

1 研究方法

1. 1 造紙行業碳排放核算方法

造紙過程消耗的能源類型有煤、天然氣、燃油、電力和生物質（黑液）。由于黑液來源于生物質且通常被燃燒處理用于能量的回收，因此被認為是碳中性[12]，造紙行業因能源消耗產生的碳排放量計算見式（1）。

C =Σin ADi·EFi （1）

式中，C 是造紙行業碳排放總量，t CO2；ADi是第i 種能源的活動水平，GJ或MWh；EFi是第i 種能源的碳排放因子，t CO2/GJ或t CO2/MWh。

1. 2 造紙行業碳排放解耦分析方法

根據Tapio模型[13]，建立造紙碳排放與產量之間的解耦模型，解耦系數（e） 的計算見式（2）。

e = ΔC/Ct ／ΔY/Yt = （CT - Ct ） Ct／ （YT - Yt ） Yt（2）

式中，ΔC 為碳排放量的變化值，t CO2；ΔY 為造紙產量的變化值，t紙；CT表示目標年的碳排放總量，t CO2；Ct為基準年的碳排放總量，t CO2；YT為目標年的產量，t紙；Yt為基準年的產量，t紙。

根據e 的大小，可以判斷造紙行業碳排放與造紙產量之間的解耦狀態，見表1。

為明確各因素對碳排放解耦的貢獻，將Tapio模型中的解耦系數分解為排放因子效應、能源結構效應、能源強度效應和產量規模效應，用Kaya恒等式進行關聯，計算見式（3）。

式中，Ci為消耗i 類能源產生的碳排放量，t CO2；Ei為i 類能源消耗量，GJ；E 為能源消耗總量，GJ；Y為造紙產量，t紙；EFi 為第i 類能源的碳排放因子，t CO2/GJ或t CO2/MWh；ESi為第i 類能源占總能源消耗的比例，%；EI為能源強度，GJ/t紙。

對上述因素采用對數平均迪氏指數法（LMDI）將式（3）分解，具體見式（4）。

ΔC = ΔCEF + ΔCES + ΔCEI + ΔCY （4）

式（4） 聯立式（2） 可得影響解耦的4 個效應，見式（5）。

式中，eEF 為電力排放因子效應；eES 為能源結構效應；eEI為能源強度效應；eY為產量規模效應。

1. 3 造紙行業碳排放預測方法

1. 3. 1 STIRPAT模型建立

選取造紙產量、能源強度、生物質能源份額、外購電力份額、電力排放因子及廢紙回收率6個因素，對STIRPAT模型中的原有影響因素進行擴展[14]，得到造紙行業的碳排放預測模型，見式（6）。

ln C = α0 + α1 ln Y + α2 ln EI + α3 ln B +α4 ln EP + α5 ln EF + α6 ln R + ln r （6）

式中，α0為函數的常數項；B為生物質能源占總能耗的比例，%；EP為外購電力占總能耗的比例，%；EF 為電力排放因子， tCO2/MWh； R 為廢紙回收率，%；r 為模型誤差；α1、α2、α3、α4、α5、α6 分別為各因素的擬合系數。

1. 3. 2 情景模式設置

表2為本研究設置的7種造紙行業碳排放情景模式，分別為：1#常規模式、2#能效提升模式、3#能源結構轉型模式、4#電力排放因子降低模式、5#廢紙回收率提高模式、6#理想模式、7#綜合模式。

1#常規模式下的能源強度年均下降率、生物質能源年均增長率、外購電力年均增長率、電力排放因子年均下降率及廢紙回收年均增長率是根據造紙行業2010—2021年的歷史發展趨勢設定的。2#能效提升模式中能源強度的年均下降率為2.0%[15]，其他與常規模式相同。2021年，生物質能源占造紙行業能源消費總量的23.4%，預計2035年達到35%以上[16]；外購電力占造紙行業能源消費總量的20.3%，預計2035年達30%[17]，因此，3#能源結構轉型模式中的生物質能源年均增長率為2.9%，外購電力年均增長率為2.8%。4#電力排放因子降低模式是假設電力排放因子的年均下降率， 為1.3%[18]。2021 年， 我國廢紙回收率為51.3%，假設2035年可達到歐盟70%的目標[19]，據此，5#廢紙回收率提高模式中的廢紙回收率年均增長率設置為2.2%，其他與常規模式相同。6#理想模式是假設所有的減排措施同時按各模式中的最大力度實施。7#綜合模式是假設所有的減排措施實施力度介于歷史趨勢和最大力度之間。

本課題以2021 年為基準年， 預測分析2022—2035年我國造紙行業的碳排放水平。其中，造紙產量按照《造紙行業“十四五”及中長期高質量發展綱要》在2035年達到1.7億t進行估算[16]。

1. 4 數據來源

外購電力的排放因子來自魏夕凱等[18]的研究結果。化石燃料和電力的活動數據來源于《中國統計年鑒》[20]。制漿黑液的數量和熱量根據化學漿產量進行估算[21]。化學漿和造紙產量的統計數據來自《中國造紙年鑒》[22]。不同類型能源的碳排放因子來自《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》[23]。

2 結果與討論

2. 1 造紙行業碳排放現狀分析

圖1 為2010—2021 年造紙行業碳排放量變化趨勢。2010—2013 年， 碳排放從1.25 億t CO2 增加到1.46 億t CO2；2013—2020年，碳排放呈現出波動下降的趨勢；2021年，碳排放量又開始增加。

由圖1可知，造紙行業的碳排放主要來自煤燃燒的直接排放和外購電力的間接排放。其中，煤燃燒的排放量呈明顯降低趨勢，在2013年達到1.05億t CO2的峰值后，每年維持5%左右的減少率，至2021年降至6 900萬t CO2。外購電力的間接排放，除2012年和2015年外，均保持增長，共增加了1 130萬t CO2。天然氣燃燒的碳排放從2015 年開始增長明顯，雖然2021年約為2010年近18倍，但其絕對量仍然很小，僅占4.7%。其他化石能源燃燒的直接排放低于1%。

2. 2 造紙行業碳排放解耦分析

表3 為碳排放與造紙產量的解耦系數。2010—2021年，造紙產量的解耦系數均為正，表明產量增長是驅動碳排放的主要因素；能源強度與電力排放因子的解耦系數在大多數年份為負，表明能源強度的改善與電力排放因子的降低促進了碳排放與產量之間的解耦；能源結構的解耦系數則正負交替，表明該效應對碳排放解耦的影響不穩定，取決于當年能源結構的具體情況。

根據各效應的解耦系數之和，可以判斷，2010—2021年造紙行業碳排放與產量之間呈現5種不同的解耦狀態，分別為：弱解耦、強解耦、隱形耦合、強負解耦和增長耦合，如圖2所示。

2010—2011 年，碳排放與造紙產量同步增長，解耦系數elt;0.8，但能源強度和電力排放因子的下降抑制了碳排放，呈現為碳排放增長速率低于造紙產量增長速率的弱解耦狀態。2011—2012年，由于能源強度和電力排放因子的持續降低，碳排放與造紙產量呈強解耦狀態。2012—2013年，雖然造紙產量下滑，但由于耗煤總量的大幅增加和能源強度的反彈，導致碳排放增加，因此，呈現強負解耦狀態。自2013年后，造紙行業能源消耗類型開始轉向天然氣和電力，同時能源強度也進一步改善，2013—2015年實現了碳排放的強解耦狀態，但在2015—2016年又轉變為弱解耦狀態。2016—2017年和2017—2018年造紙產量和碳排放分別呈現同步的增長和下降，解耦系數e介于0.8～1.2，呈現為增長耦合和隱形耦合2種相反的狀態。2018—2020年，由于生物質能源的增加，使得碳排放與造紙產量又呈現強解耦狀態。2020—2021年，造紙碳排放再次呈現出弱解耦狀態。

近年來，能源結構的優化、能源效率的提升以及電力排放因子的下降，造紙行業產量與碳排放主要呈現強解耦和弱解耦的狀態。因此，應持續改善能源效率，同時加快能源轉型，以保持碳排放與造紙產量之間的強解耦狀態。

2. 3 造紙行業碳排放預測分析

2. 3. 1 STIRPAT模型預測結果及檢驗

對建立的STIRPAT 模型進行回歸分析，得到造紙行業碳排放預測模型，見式（7）。

ln C = -2.216 + 0.992ln Y + 0.875ln EI -0.208ln B + 0.052ln EP + 0.319ln EF -0.06ln R （7）

圖3為造紙行業碳排放預測值與實際值的對比，結果顯示誤差為±0.8%。

由式（7）可知，對碳排放影響較大的因素是造紙產量與能源強度。其中，產量反映了行業的發展規模，產量的增長會導致碳排放量的增加。能源強度反映了行業能效水平，技術進步可以有效提高能效，進而抑制碳排放。能源結構對碳排放的影響較大，生物質能源的增加可以替代部分化石燃料，而外購電力消耗增多則會增加間接排放。通過進一步提高能效和向非化石能源轉型，可以大幅降低碳排放總量。另外，降低電力排放因子、提高廢紙回收率也能在一定程度上減少造紙行業的碳排放水平。

2. 3. 2 造紙行業碳排放預測結果及分析

圖4 為造紙行業碳排放預測趨勢（2021—2035年）。由圖4可知，1#常規模式下，碳排放量從2021年的1.25億t CO2上升到2035年的1.37億t CO2，年均增長率為0.65%。2#能效提升模式、3#能源結構轉型模式、4#電力排放因子下降模式和5#廢紙回收率提高模式下，碳排放量將呈現逐年增加的趨勢；其中，能效提升模式的年均增長率最低，而廢紙回收率提高模式的年均增長率最大，說明通過提高廢紙回收率這一單一措施實現碳減排的潛力有限； 預計2035年，這4種模式的碳排放量較常規模式將分別減少830、635、246和79萬t CO2。7#綜合模式下，碳排放量先以0.15%的年均增長率緩慢增加，至2030年達到1.27億t CO2 的峰值，而后會以0.08%的年均速率下降。而6#理想模式下，造紙行業碳排放呈現逐年下降趨勢，累計減少540萬t CO2排放。

3 結論

3. 1 造紙行業的能源結構趨向于低碳化。2010—2021年，煤的碳排放明顯降低；天然氣的碳排放雖有增加，但總量占比仍很低；外購電力的碳排放占比在增加。

3. 2 造紙行業碳排放量與造紙產量之間的強耦合特性逐漸減弱，能源強度的改善和電力排放因子的降低是驅動碳排放解耦的主要因素。

3. 3 按常規發展模式，造紙行業的碳排放量在2035年之前將保持增加趨勢，但綜合采用改善能源強度、加快能源轉型、提高廢紙回收率、降低電力排放因子等多種脫碳手段，可以從2030年開始實現碳排放由增長轉變為降低狀態。

3. 4 除以上脫碳手段外，還應制定合理的脫碳政策和脫碳路徑，以進一步促進造紙行業碳排放水平的降低。

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（責任編輯：宋佳翼）