陳 誠(chéng) 邱榮祖

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)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(wèn)題已經(jīng)成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。CO2是大氣中的主要溫室氣體，碳或二氧化碳當(dāng)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(yè)排放的比重最大，而我國(guó)的工業(yè)增長(zhǎng)更是帶有明顯的高能耗和高排放的特征［1］，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)碳排放的70%來(lái)自產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)部門(mén)，而居民碳排放僅占30%［2］。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)將成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展面臨的重要課題。

制漿造紙工業(yè)與人類(lèi)日常生活息息相關(guān)，在低碳經(jīng)濟(jì)的背景下，有其特殊性。首先，制漿造紙工業(yè)屬于高能耗、高碳排放的產(chǎn)業(yè)。2007年，我國(guó)制漿造紙工業(yè)能源消費(fèi)總量3342.68萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，工業(yè)能耗占整個(gè)工業(yè)部門(mén)能耗量的2%左右，居輕工業(yè)能耗之首［3］。其次，現(xiàn)代先進(jìn)的制漿造紙工業(yè)可能是一種典型的低碳工業(yè)［4］。制漿造紙工業(yè)的原料以生物質(zhì)原料為主，其原料供應(yīng)、能源消耗以及碳排放方面都包含了生物碳;發(fā)展制漿造紙工業(yè)可以擴(kuò)大生物質(zhì)能源的使用，減少對(duì)化石燃料的依賴(lài)，從而減少碳排放。

據(jù)中國(guó)造紙年鑒［5］顯示，2011年全國(guó)紙及紙板生產(chǎn)企業(yè)有3500多家，紙漿生產(chǎn)總量7723萬(wàn)t，較上年增長(zhǎng)5.53%;紙及紙板生產(chǎn)量9930萬(wàn) t，較上年增長(zhǎng)7.12%，工業(yè)總產(chǎn)值6911億元，占全國(guó)工業(yè)總產(chǎn)值的3.67%。消費(fèi)量 9752 萬(wàn) t，較 上年 增 長(zhǎng)6.31%，人 均 年 消 費(fèi) 量 為 73kg(13.40億人)。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的人均用紙量約為300 kg［6］。可以看出，我國(guó)的制漿造紙業(yè)不僅是我國(guó)工業(yè)的重要組成部分，而且仍具有很大的發(fā)展?jié)摿?。中?guó)造紙年鑒 (2012)數(shù)據(jù)表明，2011年，我國(guó)紙漿進(jìn)口1445萬(wàn) t，比上年增長(zhǎng)27.09%，廢紙進(jìn)口2728萬(wàn)t，比上年增長(zhǎng)12.03%，木片進(jìn)口656.55萬(wàn)t，比上年增長(zhǎng)41.76%。因此從供應(yīng)鏈角度對(duì)制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放進(jìn)行正確評(píng)估，并考慮原料來(lái)源不同對(duì)指標(biāo)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(guó)的漿紙一體化工廠的能耗及CO2排放量，指出制漿造紙工業(yè)的碳排放與生產(chǎn)工廠的能源效率、國(guó)家 (地區(qū))主要能源的碳排放強(qiáng)度以及生物質(zhì)能源對(duì)化石能源的替代量相關(guān)。Laurijssen等人［8］從生命周期視角研究了由3種主要紙漿 (化學(xué)漿、機(jī)械漿、廢紙漿)生產(chǎn)6種紙品的能耗及碳排放，并對(duì)荷蘭的制漿造紙工業(yè)進(jìn)行了能耗和碳排放的評(píng)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(guān)系。Manda等人［10］利用生命周期評(píng)估法 (Life Cycle Assessment，LCA)就未漂白原生紙漿、回收纖維漿和化學(xué)預(yù)熱機(jī)械漿的木材耗用、能源消耗、溫室氣體排放以及其他環(huán)境影響等因素進(jìn)行了比較。但以上研究均未考慮供應(yīng)鏈上各種原料及半成品的不同來(lái)源。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也有少量關(guān)于工業(yè)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(yè)部門(mén)能耗碳排放的具體因素，綜合考慮能源排放強(qiáng)度、能源結(jié)構(gòu)、能源強(qiáng)度和產(chǎn)出規(guī)模等四個(gè)要素，建立了工業(yè)部門(mén)能耗碳排放分解模型。張智慧等人［12］利用投入產(chǎn)出分析技術(shù)間接碳排放，并利用關(guān)聯(lián)碳排放系數(shù)和碳排放拉動(dòng)系數(shù)比較了主要工業(yè)行業(yè)單位產(chǎn)出的碳排放能力。李威靈［3］對(duì)比了我國(guó)制漿造紙工業(yè)能耗水平與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，從結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能技術(shù)和節(jié)能管理等方面提出了節(jié)能降耗的主要措施。已有研究中未見(jiàn)對(duì)我國(guó)制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放估算的研究，而準(zhǔn)確計(jì)算和掌握我國(guó)制漿造紙工業(yè)的能耗、碳排放量及主要因素的影響情況對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)制漿造紙工業(yè)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(yè)的可持續(xù)發(fā)展及戰(zhàn)略制定提供重要依據(jù)。

圖1 制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈基本模式

1 材料與方法

1.1 制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈模式

因我國(guó)制漿造紙工業(yè)的特殊性，進(jìn)行能耗和碳排放研究必須考慮進(jìn)入供應(yīng)鏈系統(tǒng)的的原料來(lái)源，我國(guó)制漿造紙工業(yè)的基本供應(yīng)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(lái)源還包括進(jìn)口部分。造紙廠除使用國(guó)內(nèi)各類(lèi)紙漿，還使用各類(lèi)進(jìn)口紙漿。如果國(guó)產(chǎn)紙產(chǎn)品不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，則還需一部分的進(jìn)口紙品。各類(lèi)紙品在消費(fèi)者處使用后一部分被回收，其余則被丟棄。

本研究在進(jìn)行制漿造紙工業(yè)能源消耗和碳排放的估算中，把原料分為三類(lèi):木質(zhì)纖維、回收纖維以及非木纖維。木質(zhì)纖維包括原木和木片，考慮到各國(guó)產(chǎn)業(yè)保護(hù)和運(yùn)輸效率等原因，進(jìn)口木質(zhì)纖維僅包含進(jìn)口木片;回收纖維即廢紙，包括國(guó)內(nèi)回收廢紙和進(jìn)口廢紙;非木纖維指國(guó)內(nèi)非木纖維。向造紙廠供應(yīng)的紙漿分為國(guó)內(nèi)紙漿和進(jìn)口紙漿，由國(guó)內(nèi)制漿廠生產(chǎn)的紙漿均為國(guó)內(nèi)紙漿。因數(shù)據(jù)可得性的原因，僅粗略地將木漿分為化學(xué)漿和機(jī)械漿兩大類(lèi)。本研究?jī)H關(guān)注纖維，特別是木質(zhì)纖維，因而制漿造紙過(guò)程中的其他物質(zhì)(如填充物等)則未考慮。

1.2 計(jì)算邊界

圖2 我國(guó)制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈能源消耗概況圖

基于我國(guó)制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈的基本模式，制漿造紙工業(yè)能源消耗概況如圖2所示，根據(jù)IPCC指導(dǎo)原則，假設(shè)森林的永續(xù)經(jīng)營(yíng)，生物碳排放可不予計(jì)算，即木質(zhì)纖維在生長(zhǎng)過(guò)程中的碳排放以及廢紙?zhí)幚頃r(shí) (如焚燒)的碳排放不予計(jì)算。但從能源消耗的角度，認(rèn)為原料若不用于制漿造紙，可用于生產(chǎn)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(yīng)鏈，可計(jì)算相應(yīng)的碳排放。此外，為了區(qū)分國(guó)內(nèi)原料和進(jìn)口原料，對(duì)于進(jìn)入供應(yīng)鏈的國(guó)內(nèi)原木及木片按我國(guó)當(dāng)前土地利用情況計(jì)算相應(yīng)的碳匯量。假設(shè)在林紙一體化戰(zhàn)略下，對(duì)制漿造紙工業(yè)木質(zhì)原料的供應(yīng)是從更多進(jìn)行森林經(jīng)營(yíng)而獲取的更多木材產(chǎn)出得到的。為了進(jìn)行全周期的評(píng)價(jià)，假設(shè)市場(chǎng)消費(fèi)的紙品未回收的部分都將與市政垃圾一同焚燒，且焚燒產(chǎn)生的熱值將被利用，從而得到碳排放的減輕［8］。2011年我國(guó)市政垃圾焚燒率僅為17.3%，但垃圾無(wú)害化處理率已達(dá)86.9%［13］。廢紙經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理方式并不會(huì)造成碳的消耗，且本研究更多的關(guān)注廢紙中的碳量，但該假設(shè)可能造成對(duì)廢紙回收能源的過(guò)高估算。

1.3 計(jì)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(chǎn)生的，同時(shí)，能源的產(chǎn)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(chǎn)出兩部分，能源投入引起碳排放，而能源產(chǎn)出能減輕碳排放。能源消耗量等于能源投入與能源產(chǎn)出之差。熱能的轉(zhuǎn)換效率取為90%，電能的轉(zhuǎn)換效率取35%［14］。

1.3.1 能源消耗

(1)能源投入

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

森林培育、砍伐、切片過(guò)程中的能源投入計(jì)算見(jiàn)式(1):

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

原料能源投入計(jì)算見(jiàn)式 (2):

式中，Mw為生物質(zhì)的數(shù)量，即原料的木材當(dāng)量，相應(yīng)的木漿和廢紙通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)生物質(zhì)量，化學(xué)漿的轉(zhuǎn)換系數(shù)取為1.11，機(jī)械漿的轉(zhuǎn)換系數(shù)取為2.22，廢紙的轉(zhuǎn)換系數(shù)取為 1.85［6］;μ2為單位生物質(zhì)所包含的能量，本文取 18 GJ/m3［15］。

運(yùn)輸能源耗用的計(jì)算見(jiàn)式 (3):

式中，M為運(yùn)輸物的質(zhì)量，t;d為運(yùn)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)物的平均運(yùn)輸距離設(shè)為150 km，進(jìn)口物的平均運(yùn)輸距離設(shè)為500 km［11］。

制漿造紙過(guò)程中的電能和熱能的消耗計(jì)算見(jiàn)式(4):

式中，Eeli(kWh/t)和Ehei(GJ/t)分別為生產(chǎn)單位i種產(chǎn)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(chǎn)電能和熱能的生產(chǎn)系數(shù);Wpi表示i種產(chǎn)品的質(zhì)量，t。

相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

表1 單位產(chǎn)品的電能和熱能消耗數(shù)據(jù)

(2)能源產(chǎn)出

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

此外，紙產(chǎn)品中也包含有能源。一方面，回收的廢紙?jiān)儆糜谠旒堄?jì)算同生物質(zhì)原料能源投入，采用式(2)計(jì)算。我國(guó)目前的廢紙回收率約為47.4%。另一方面，廢棄廢紙燃燒產(chǎn)生的能源用其產(chǎn)生的電能估算，計(jì)算公式如式 (5)所示。

式中，Eelg表示每噸廢紙燃燒產(chǎn)生的電能，kWh/t;Mwpi表示廢棄廢紙的質(zhì)量，t。

單位能源產(chǎn)出值如表2所示。

表2 單位產(chǎn)品的電能和熱能產(chǎn)出數(shù)據(jù)

制漿造紙過(guò)程中使用的不同方法和設(shè)備導(dǎo)致的能源消耗與產(chǎn)出相差較大，但總體而言，我國(guó)制漿造紙工業(yè)的能耗和歐洲造紙發(fā)達(dá)國(guó)家相當(dāng)［21］。

1.3.2 碳排放

根據(jù)IPCC的碳排放系數(shù)，制漿造紙工業(yè)的碳排放可根據(jù)能源消費(fèi)量與碳排放系數(shù)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(guó)主要能源 (煤)計(jì)算;目前我國(guó)制漿造紙?jiān)线\(yùn)輸過(guò)程大多采用卡車(chē)運(yùn)輸，故運(yùn)輸過(guò)程中的主要能源取柴油計(jì)算。

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

表3 碳排放系數(shù)取值表

2 結(jié)果與分析

根據(jù)以上計(jì)算思路和計(jì)算方法，利用仿真軟件Extendsim8.0進(jìn)行制漿造紙工業(yè)供應(yīng)鏈的建模，從而計(jì)算出我國(guó)制漿造紙工業(yè)的能耗及碳排放。

2011年，我國(guó)制漿造紙工業(yè)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(jì);生物質(zhì)原料能源投入為3169.92 PJ，占總能源投入的56%;運(yùn)輸能源投入為597.64 PJ，制漿過(guò)程中的能源投入為504.08 PJ，占總能源投入的11%;造紙過(guò)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(chǎn)出為2435.56 PJ，其中制漿造紙過(guò)程中的能源產(chǎn)出為397.6 PJ，廢紙焚燒產(chǎn)生的能源為630.01 PJ，保留在回收廢紙中的能源為1531.70 PJ?？梢?jiàn)，若不包括生物質(zhì)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(guó)制漿造紙工業(yè)能源總消耗為3214.62 PJ，除去少量出口，國(guó)內(nèi)消費(fèi)的噸紙能源消耗為31.07 GJ。制漿造紙工業(yè)的總碳排放為149.74 Mt-CO2e，噸紙CO2排放量約為1543 kg CO2e。計(jì)算值與我國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒中的數(shù)值有較大差異，是因?yàn)槟茉唇y(tǒng)計(jì)年鑒考量的是工業(yè)過(guò)程中為完成生產(chǎn)而投入使用的其他能源，而本文從制漿造紙?jiān)?(木纖維)的能源本質(zhì)出發(fā)，計(jì)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(jì)算也是基于相同的視角。表4給出了不同文獻(xiàn)中的一些主要國(guó)家的制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放數(shù)據(jù)。不同的估算方法、估算依據(jù)和視角，甚至是不同的估算目的均會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，而討論的核心在于哪種方法和視角更能客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)特定行業(yè)的能耗及碳排放。此外，不同國(guó)家的制漿造紙工業(yè)碳排放和該國(guó)使用的主要能源類(lèi)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(guān)關(guān)系。

表4 不同國(guó)家制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放比較

因各國(guó)能源效率、制漿造紙工業(yè)使用的主要能源、漿種比例、原料組成結(jié)構(gòu)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(guó)家的能耗基本在同一數(shù)量級(jí)，但噸紙CO2排放的估算值較大，這是因?yàn)楸疚牡墓浪惴椒ú⑽纯紤]進(jìn)口原料在生產(chǎn)國(guó)的碳匯，而計(jì)算了這些原料對(duì)應(yīng)的碳排放當(dāng)量。近年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到國(guó)際貿(mào)易對(duì)碳排放的影響［26-27］，正在積極推動(dòng)從基于生產(chǎn)地的計(jì)算方法向基于消費(fèi)地的計(jì)算方法的轉(zhuǎn)變［28-29］。而目前我國(guó)制漿造紙供應(yīng)鏈上的投入量，尤其是原料部分，進(jìn)口量所占比例較大。其他文獻(xiàn)在進(jìn)行國(guó)家制漿造紙工業(yè)能源消耗和碳排放估算時(shí)未考慮進(jìn)口的影響，同時(shí)Heath［25］也指出將進(jìn)口的影響加入到碳排放的估算中會(huì)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(yīng)鏈中的國(guó)產(chǎn)木材比例增加將帶來(lái)供應(yīng)鏈碳排放的減少;其次，紙漿供應(yīng)中，國(guó)產(chǎn)木漿的比例增加將帶來(lái)能源消耗量的減少以及供應(yīng)鏈碳排放的減少，這與我國(guó)近年來(lái)積極推動(dòng)的林漿紙一體化戰(zhàn)略是相一致的;林漿紙一體化戰(zhàn)略不僅能有效緩解我國(guó)木材對(duì)外依存度大的現(xiàn)狀，也能為節(jié)能減排戰(zhàn)略的推進(jìn)以及提高我國(guó)在國(guó)際上履約談判的主動(dòng)性產(chǎn)生積極作用。因此，本文提出的估算方法將供應(yīng)鏈上的進(jìn)出口商品的影響考慮進(jìn)來(lái)是合理的，有助于正確把握原料對(duì)外依存度對(duì)供應(yīng)鏈碳排放的影響，有利于我國(guó)制漿造紙工業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略乃至木質(zhì)林產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略的制定。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)我國(guó)制漿造紙工業(yè)的分析，提出從供應(yīng)鏈的角度對(duì)制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳放量進(jìn)行估算，包括從森林培育、砍伐、制漿、造紙、消費(fèi)等主要生命周期。立足于基于消費(fèi)地的計(jì)算方法，將森林培育中產(chǎn)生的碳匯包括進(jìn)來(lái)以區(qū)別國(guó)產(chǎn)木材和進(jìn)口木材對(duì)供應(yīng)鏈碳排放的影響。

一方面，計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，在合理的土地利用變化范圍內(nèi)，積極推進(jìn)我國(guó)木材需求的自給自足有利于降低我國(guó)制漿造紙工業(yè)的碳排放。另一方面，對(duì)進(jìn)口原料與國(guó)產(chǎn)原料以不同的方法計(jì)算充分考慮了不同國(guó)家林業(yè)發(fā)展水平以及制漿造紙供應(yīng)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(yīng)鏈的形成與發(fā)展。

隨著制漿技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用制漿過(guò)程的副產(chǎn)品進(jìn)行能源的生產(chǎn)使得制漿過(guò)程不再是能源消耗過(guò)程，而是能源產(chǎn)出過(guò)程，減少對(duì)進(jìn)口木漿的依賴(lài)，能在一定程度上減少我國(guó)制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放。

將制漿造紙工業(yè)原料折算成供應(yīng)鏈的能源投入，能充分體現(xiàn)制漿造紙工業(yè)原料的特殊性及多用途性(人造板、生物質(zhì)能源等)，該計(jì)算方法下的計(jì)算結(jié)果有助于指導(dǎo)生物質(zhì)的最佳用途。

總之，從供應(yīng)鏈視角進(jìn)行制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放的研究符合當(dāng)前國(guó)際上對(duì)碳排放核算的一致認(rèn)識(shí)，有助于更合理的對(duì)一個(gè)國(guó)家制漿造紙工業(yè)進(jìn)行能源消耗和碳排放的核算。本文利用提出的基于供應(yīng)鏈視角的估算方法對(duì)我國(guó)制漿造紙工業(yè)的能源消耗和碳排放進(jìn)行了估算，估算結(jié)果對(duì)我國(guó)制漿造紙工業(yè)的發(fā)展具有重要的參考和促進(jìn)意義。

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