采用A-D-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產的能耗與碳排放模型研究

摘要： 基于相同的核算邊界，分別構建采用A-D-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產與常規堿法制漿聯合燃煤熱電聯產的能量與碳排放模型。通過物流平衡及排放因子法聯合實測數據測算出2種制漿聯合廠的能耗及碳排放。結果表明，采用A-D-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產工廠的單位產品能耗比常規堿法制漿聯合工廠降低了26. 8%。其中，堿回收單元降低了51. 2%的能耗。采用A-D-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產的單位產品碳排放量為1. 72 t CO2/Adt，且93. 6%為生物質碳，總碳排放下降了31. 6%，表明采用A-D-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產具有顯著的節能減排效應，為促進制漿聯合企業的綠色可持續發展提供新的策略。

關鍵詞：制漿工藝；生物質熱電聯產；黑液處理；節能減排

中圖分類號：TS74 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 02. 015

制漿造紙工業是重要的基礎原材料產業，每年約消耗全球8% 的能源，也將帶來4.5% 的溫室氣體排放。制漿是制漿造紙工業生命周期的第二步，據統計[1]，從1960—2022年，制漿約消耗制漿造紙生命周期總能耗的17%。我國近15年紙漿消耗量平均增長率為3.87%，2023年全國紙漿消耗量11 899萬t，其中木漿消耗量4 931 萬t，占總紙漿消耗的41.4%[2]。《中國造紙工業可持續發展白皮書》及GB 31825—2024《制漿造紙單位產品能源消耗限額》均表明，制漿企業必須朝可持續化、綠色化、高端化發展。因此，針對制漿聯合企業的發展制定合理有效的節能減排措施刻不容緩。

為了制定節能減排措施，需厘清企業能耗和碳排放情況。張欣等[3]研究了某典型制漿造紙廠，該企業的制漿能源消耗最大的工段在堿回收工段，能耗占比高達91%，而碳排放占比最大的工段來源于熱電聯產車間的一次能源排放。于悅[4]研究了斯道拉恩索（廣西） 漿紙有限公司的能源消耗情況，結果表明，熱電聯產的化石燃料占總能源53.1%， 黑液燃燒需要26.4%的能源，物質運輸能耗約20.5%；化石燃燒產生74.6% 的碳排放，黑液燃燒造成了15.4% 的碳排放。房桂干[5]研究了高得率制漿過程中如何實現碳減排及工程化運行案例。以上研究對能源結構和能源效率提出了建議，并指出了制漿聯合工廠的能耗和碳排放關鍵生產單元是熱電聯產和堿回收單元。

當前制漿企業的熱電聯產主要采用燃煤熱電形式，通過優化能源結構，采用生物質燃料替代一次能源成為減排的措施之一[6]。我國生物質鍋爐技術已位于世界前列，且熱電效率基本超過了45%。石清泉等[7]研究表明，技術改革可以實現生物質鍋爐的熱電效率達58.9%。因此，采用生物質鍋爐的熱電聯產可為制漿聯合工廠的綠色可持續發展傳輸綠色能源。

黑液是制漿過程的副產物，黑液中的主要成分由2/3的有機物及1/3無機物組成[8]。當前黑液的主要處理方式是將黑液進行濃縮-燃燒-苛化，旨在回收余熱與殘堿。但隨著黑液多效蒸發濃縮濃度的變大，其黏度增加，導致能耗需求增高[9]；且燃燒與苛化后的石灰煅燒還產生了大量的CO2排放。優化黑液堿回收工藝已成為制漿企業節能減排路徑之一。筆者所在課題組經多次實驗探索發現，黑液酸化所得粗木質素具有較高熱值[10]，經測試，該粗木質素熱值為22.04 MJ/kg，可以與木皮、秸稈等生物材料構成生物質燃燒塊應用于生物質鍋爐中。剩余的濾液將其pH值調節至中性后用于循環蒸煮[11]，蒸煮所得化學漿質量良好，且得率提高了9%～13%[12]。進一步研究表明，將剩余濾液濃縮結晶、燃燒純化后得到以氯化鈉為主的無機鹽，然后采用氯堿工業的電解法對無機鹽溶液進行電解得到NaOH溶液，同時還獲得了H2和Cl2，將其合成為HCl可循環應用于酸化工段。筆者所在課題組將該制漿工藝命名為：A-D-E-RC法廢液循環制漿工藝。該制漿工藝可以有效避免黑液的大量濃縮蒸發、濃黑液燃燒、綠液苛化及后續石灰石煅燒所造成的能耗及碳排放。且制漿副產物通過逐級分化而高效回收利用，具體工藝流程圖如圖1所示。

本研究將結合能源結構與制漿工藝的變化對聯合制漿廠的能耗與CO2排放進行論證分析。通過構建模型及運算對比法驗證采用A-D-E-RC法廢液循環制漿工藝聯合生物質鍋爐熱電聯產的制漿廠能耗和CO2排放效益，旨在為制漿造紙行業的清潔生產提供新的策略。

1 研究內容與方法

1. 1 A-D-E-RC法廢液循環制漿工藝

A-D-E-RC法廢液循環制漿工藝是基于黑液酸析提取木質素和筆者所在課題組對濾液循環蒸煮制漿工藝及無機鹽溶液電解的研究而提出。具體來說，該工藝采用鹽酸酸化黑液（A） 使木質素析出，并獲得酸性濾液。接著將酸性濾液通過酸堿中和反應調節濾液pH為中性。將質量分數20%的中性濾液經MVR蒸發濃縮、燃燒有機質獲得無機鹽（D）。然后，通過電解無機鹽溶液的方法（E） 再生NaOH，并將電解獲得氫氣和氯氣通過反應器合成為鹽酸。最后，將質量分數80%的中性濾液與再生NaOH溶液循環回用于蒸煮木片（RC）。經6次化學法循環蒸煮按木片，相關實驗結果如表1所示。

由表1可知，通過6次循環蒸煮，黑液中木質素提取率高、濾液CODCr去除率gt;50%、化學桉木漿得率較初次蒸煮均有所提升、電解的堿回收率高于常規苛化堿回收。所得桉木化學漿以20%漿濃抄紙，所抄紙張定量為70 g/m2。根據GB/T 455—2002、GB/T 454—2002、GB/T 453—2002對紙張撕裂度、耐破度、抗張強度進行測定。結果表明，紙張品質均符合牛皮紙國家標準。

1. 2 系統邊界與建模

根據廣西某制漿熱電聯產工廠的產品生命周期確定系統邊界由熱電聯產單元、制漿單元、堿回收單元、廢水處理單元組成。在此邊界下構建A-D-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產工廠的物流模型，詳見圖2。

1. 3 物料平衡

物料衡算是確定化工生產過程中物料比例和物料轉變定量關系的過程，是化工工藝計算中最基本、最重要的內容之一[13]。目的是根據原料與產品之間的定量轉化關系，計算原料的消耗量，各種中間產品、產品和副產品的產量，生產過程中各階段的消耗量與組成，進而為能量衡算、設備計算提供初始數據。本研究以700 t/天化學桉木漿作為初始標準數據，物料核算的詳細數據見補充材料1（見增強出版電子版）。

1. 4 能量的產生與消耗

1. 4. 1 能量的產生

制漿廠所需電能由熱電聯產單元提供，蒸汽熱能由熱電聯產單元及燃燒爐的回收熱能提供[14]。在常規堿法制漿廠熱電聯產系統為燃煤形式，其熱效率為90%，而A-D-E-RC法制漿聯合廠的熱電聯產單元通過燃燒粗木質素及生物質燃料來獲取能量，生物質鍋爐的熱效率取86%。二者均采用60 MW抽凝式汽輪發電機組的發電效率45%進行核算[7]。

1. 4. 2 能量的消耗

根據QB/T 1022—2021《制漿造紙企業綜合能耗計算細則》，紙漿能耗統計范圍包括紙漿主要生產系統：制漿單元、堿回收單元、廢水處理單元中的電能及熱能。由于堿回收單元的工藝差異，通過回用黑液燃燒的熱能減少熱電聯產的蒸汽熱能輸入，故而需對黑液的熱能回收進行核算。

1. 5 CO2的排放分析

制漿造紙行業的碳排放核算方法主要有實測法、排放因子法及生命周期評價法[13]。本研究是基于能源結構及制漿工藝的變化對CO2排放的分析研究，所以不能采取單一的排放因子法進行核算，而需根據碳排放路徑作量化統計[15]。基于此，本研究使用《中國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）》（以下簡稱《報告指南（試行）》） 中對化石燃料燃燒造成的排放、生產過程排放量、廢水處理產生的碳排放核算方式。而《報告指南（試行）》中對碳排放的核算不包括生物質排放，該部分將單獨進行核算。計算方式分別見式（1）～式（5）。

式中，ADi為年度內第i 種燃料的活動水平，GJ；EFi為第i 種燃料的CO2排放因子，t CO2/GJ；i 為燃料類型代號。

ADi = NCVi ? FCi （2）

式中，NCVi為年度內第i 種燃料的平均低位發熱量，固體或液體燃料，GJ/t；氣體燃料，GJ/Nm3。FCi為年度內第i 種燃料的凈消耗量，固體或液體，t；氣體，Nm3。

式中，CCi為第i 種燃料的單位熱值含碳量，t C/GJ；OFi為第i 種燃料的碳氧化率，%；44/12為碳和CO2間的換算系數。

E過程= L ? EF石灰（4）

式中，E 過程為核算和報告年度內的過程排放量，t CO2；L 為核算和報告年度內的石灰石原料消耗量，t；EF 石灰為煅燒石灰石的CO2 排放因子，EF 石灰取值0.405 t CO2/t石灰石。

EGHG?廢水= ECH4?廢水? GWPCH4 ? 10-3 （5）

式中，EGHG-廢水為厭氧處理過程產生的CO2排放當量（t CO2e）；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）》，取值為21。

1. 6 數據收集

本研究采用廣西某常規堿法制漿聯合工廠的核算邊界一致的蒸煮參數與設備功率。因2種工藝的主要區別在于能源結構及黑液的處理，故而著重于收集不同能源結構的能源效率與燃料碳含量數據，以及不同黑液處理所需要的物質與相關設備的有效功率。關鍵計算參數如表2所示。

2 結果與討論

2. 1 能耗計算與分析結果

2. 1. 1 常規堿法制漿廠的能耗情況

常規熱電聯產堿法制漿廠的能源主要依靠燃煤鍋爐，為制漿單元、堿回收單元、廢水處理單元提供蒸汽熱及電能。制漿單元能量消耗主要包括蒸煮所需蒸汽及設備電耗；堿回收單元的能耗主要為五效蒸發系統中將稀黑液濃縮為濃黑液所需蒸汽與黑液燃燒爐所需蒸汽以及所有設備所需電耗；廢水處理單元為設備運行的電耗。基于制漿廠的制漿工藝流程和物流平衡，對700 t/天化學漿的生產規模進行了能量流動的計算。制漿造紙廠的能源統計情況如表3所示。能耗核算清單見補充材料2（見增強出版電子版）。

2. 1. 2 A-D-E-RC法制漿廠的能耗情況

A-D-E-RC法聯合生物質熱電聯產制漿廠的能源主要依靠生物質鍋爐，通過燃燒生物質得到的蒸汽熱及電能應用于各生產階段。在A-D-E-RC法制漿工藝中的堿回收工段不再進行黑液的多效蒸發濃縮及燃燒，且取消了綠液的苛化及石灰再生環節。通過對各單元能耗進行核算總結，所得能耗核算清單見補充材料2，能耗情況詳見表4。

由表4可知，常規堿法制漿聯合廠能量總輸入為11 100 544 MJ， 生產能量消耗為9 603 406 MJ； 而A-D-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產廠能量總輸入為10 876 551 MJ，生產的能量消耗為7 032 285 MJ；相比之下，后者可在供給端節約能源2.0%，在消耗端節約26.8%能耗。根據GB 31825—2024《制漿造紙單位產品能源消耗限額》中規定對單位產品能耗按式（6）計算。

e = E ? pi／m （6）

式中，e 為單位產品能耗，kgce/Adt；E 為消耗的總能量，MJ；pi為能源折算系數，此處為熱量折算標煤系數，取pi值為0.3 412[19]，kgce/MJ；m 為紙漿的產量，Adt。

經計算， 常規堿法制漿的單位產品能耗為468.09 kgce/Adt；A-D-E-RC法制漿的單位產品能耗為342.77 kgce/Adt。

盡管，燃煤鍋爐的熱效率略高于生物質鍋爐，但由于化石資源的不可再生及常規黑液堿回收的高能耗制約了制漿造紙產業綠色可持續發展。而生物質鍋爐的熱效率已高達86%，且我國通過技術改革明顯提升生物質鍋爐的熱電效率。通過A-D-E-RC法改進堿回收工序，可以回收木質素并應用到生物質燃料中，不僅節約了能源還提升了副產物的應用價值。

2. 2 碳排放計算與分析結果

根據1.5 碳排放核算公式與補充材料1的物料平衡和GB 31825—2024《制漿造紙單位產品能源消耗限額》，分別核算2種制漿聯合工廠的CO2排放情況。排放統計見表5和表6。

據統計，700 t/天化學桉木漿的常規堿法制漿廠將產生1 756.45 t CO2， 其中生物質碳排放占比51.2%，單位產品的CO2 排放量為2.51 t CO2/Adt；而相同產量下，采用A-D-E-RC法的聯合生物質鍋爐的制漿廠將產生1 202.25 t CO2，其中93.6%為生物質碳排放，單位產品的CO2排放為1.72 t CO2/Adt。相比之下，采用A-D-E-RC法聯合生物質鍋爐的制漿廠碳排放可減少31.6%，具有明顯的CO2減排效益。

由上述分析可知，減排效益是基于在能源結構的變化和制漿工藝的改善。常規堿法制漿的熱電聯產單元的燃煤鍋爐以燃燒煙煤為主；此外，還有燃燒油輔助黑液燃燒，設備運行過程中使用柴油，這都將導致大量的碳排放。生物質鍋爐則通過燃燒由木皮及粗木質素組成的生物質燃料塊獲得能量，且均為綠色碳排放。在制漿工藝中，A-D-E-RC法制漿工藝通過對黑液的酸化-結晶-電解逐級分離的方式實現副產物的最大化回收和利用，且取消了常規堿回收中黑液的大量燃燒、綠液苛化、石灰石煅燒大量排放CO2工段。因此，采用A-D-E-RC法聯合生物質熱電聯產的制漿廠降低了CO2大量排放。

3 結 論

本研究通過建立模型與模擬計算，驗證了采用AD-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產的節能減排效果。

3. 1 采用A-D-E-RC 法制漿聯合生物質熱電聯產工廠，比常規堿法制漿聯合燃煤熱電聯產工廠降低了26.8%總能耗，其中，堿回收單元減少的蒸汽消耗使得能耗下降最多，降低比例為51.2%。盡管總能耗下降的幅度不小，但堿回收單元增加了電能消耗，而熱電轉化效率遠不及熱效率，導致在供給端的能耗差異并不明顯。且酸化黑液得到的粗木質素可以加入生物質燃料中，作為能源使用。可進一步通過生物質精煉或氣化提高能源效率后應用于熱電聯產循環系統，該策略有待持續研究。

3. 2 采用A-D-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產的單位產品碳排放量比常規堿法制漿聯合燃煤熱電聯產工廠的碳排放量下降了31.6%，單位產品的CO2排放為1.72 t CO2/Adt，且93.6% 為生物質碳排放。綜合分析，采用A-D-E-RC法制漿聯合生物質熱電聯產具有顯著的節能減排效應，為促進制漿聯合企業的綠色可持續發展提供新的策略。

參 考 文 獻

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（責任編輯：董鳳霞）

基金項目：國家自然科學基金“A-D-E-RC法廢液循環制漿工藝的化學反應機理及其節能減排效應研究”（22368007）。