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(tuán)碳資產(chǎn)管理中心,北京 100011;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083)

隨著社會各行各業(yè)的飛速發(fā)展,我國碳排放量逐年上升。國際能源署曾有報(bào)告明確指出:中國和美國是CO2排放量增長速度最快的兩個(gè)國家。隨著生態(tài)文明建設(shè)的加快,低碳經(jīng)濟(jì)成為了社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略方針,是各行各業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)的制約因素。

制漿造紙業(yè)目前處于全球工業(yè)能源消耗行業(yè)排行榜第四位,2018年,全球制漿造紙業(yè)共消耗工業(yè)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(xù)增加[1]。由于我國制漿造紙業(yè)的主要能源為煤,未來行業(yè)發(fā)展所產(chǎn)生的碳排放問題,對我國生態(tài)環(huán)境來說是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

基于此,國家提出了“雙碳”目標(biāo),即爭取在2030年使CO2排放量達(dá)到峰值,并于2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。國家提出的“雙碳”目標(biāo),也代表了對減污降排工作的決心,同時(shí)也出臺了多項(xiàng)有利于各區(qū)域、各行業(yè)節(jié)能減排、降碳的政策和策略,積極采取各項(xiàng)措施攻克減污降碳難題。本文以“雙碳”目標(biāo)為約束,針對企業(yè)的CO2排放問題,進(jìn)行協(xié)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(lián)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(yè)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(yè)CO2排放量的增加;給出3點(diǎn)適合企業(yè)CO2減污降排的措施,并對其展開實(shí)驗(yàn)測試,結(jié)果也驗(yàn)證了3項(xiàng)措施可從根本上解決企業(yè)的CO2排放問題,并為企業(yè)節(jié)省一大筆能源支出費(fèi)用。

1 企業(yè)CO2排放量計(jì)算方法

利用核算指南[2]中的推薦值和實(shí)驗(yàn)室測定值分析企業(yè)的碳排放因子,并運(yùn)用溫室氣體核算體系分析和計(jì)算企業(yè)的碳排放量,最終提出適合企業(yè)節(jié)能減排的綠色發(fā)展路徑。

利用核算指南計(jì)算企業(yè)CO2排放量主要包括以下幾個(gè)步驟:

(1)確定核算邊界;

(2)確定CO2排放源;

(3)獲取活動水平數(shù)據(jù);

(4)對碳排放因子進(jìn)行篩選和采集;

(5)對企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程、燃料燃燒過程、消耗電力和熱力過程產(chǎn)生的碳排放量分別進(jìn)行計(jì)算;

(6)對上述產(chǎn)生的總碳排放量進(jìn)行匯總計(jì)算。

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

1.1 企業(yè)信息

本文選擇的企業(yè)為一家具有代表性的制漿造紙聯(lián)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(jī)和2臺漿板機(jī),主要生產(chǎn)產(chǎn)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(jī)和漿板機(jī)的各類參數(shù)。

表1 紙板機(jī)和漿板機(jī)具體參數(shù)

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(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)過程、原材料運(yùn)輸及加工過程、以及燃料燃燒過程產(chǎn)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(lián)合工廠核算邊界

通過圖1可以看出,制漿造紙聯(lián)合工廠的碳排放主要從五個(gè)部分產(chǎn)生:第一部分是化石燃料燃燒[5]產(chǎn)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(nèi)的生物質(zhì)能?；剂辖?jīng)過充分燃燒后會產(chǎn)生大量的CO2,本文主要采集這一部分?jǐn)?shù)據(jù);第二部分是過程碳排放,主要為石灰石分解后產(chǎn)生的CO2;第三部分、第四部分分別是消耗電力和熱力產(chǎn)生的CO2;第五部分是工廠廢水處理后產(chǎn)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(chǎn)生,這部分可不做考慮。

1.4 企業(yè)CO2排放量計(jì)算

通過式(1)對制漿造紙聯(lián)合工廠CO2的總排放量進(jìn)行核算:

(1)

式中:Ei為工廠燃燒不同種類燃料產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的碳排放量。

E1表達(dá)式為

(2)

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

ADi=NCVi×FCi

(3)

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

(4)

E2表達(dá)式為

E2=L×EFshs

(5)

式中:L為該工廠一年內(nèi)消耗的石灰石總量;ADr為石灰石的CO2排放因子。

E3表達(dá)式為

E3=ADd×EFd+ADr+EFr

(6)

式中:ADd為該工廠一年內(nèi)凈購入的電量,C(A·s);ADr為該工廠一年內(nèi)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(lián)合工廠CO2排放量核算結(jié)果更加精準(zhǔn),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(fā)票、財(cái)務(wù)報(bào)表和審計(jì)報(bào)告獲取,NCVi和EFi在沒有實(shí)驗(yàn)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(wǎng)年均CO2排放量會由于地理區(qū)域位置的不同而存在較大的出入,這部分?jǐn)?shù)據(jù)要參考當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門發(fā)布的最新數(shù)據(jù)。木屑、黑液、重油和甲醛的NCVi、以及熱量產(chǎn)生的蒸汽和甲醛的EFi均使用實(shí)驗(yàn)室測定值。

2 企業(yè)CO2排放量影響因素分析

通過上述分析,得到企業(yè)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(guān)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(jìn)而給出相應(yīng)的協(xié)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(shí)間內(nèi)消耗的第j種能源總量;Qj為消耗第j種能源產(chǎn)生的熱值,J/(kg·K)。

將EFi和式(7)進(jìn)行整合,得到能源消耗與CO2排放量之間的關(guān)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(xié)同效應(yīng),企業(yè)能耗增加的同時(shí)必然會帶動起CO2排放量的上升。

3 “雙碳”目標(biāo)約束下企業(yè)CO2協(xié)同減排路徑

“雙碳”目標(biāo)[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(yè)由于在生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生大量的CO2,作為支柱性產(chǎn)業(yè)之一,能否嚴(yán)格控制CO2的排放已經(jīng)成為整個(gè)減排工作的重中之重。制漿造紙工廠的協(xié)同減排工作必然是在合理且有效的措施上實(shí)施的[9]。本文就上文分析,針對制漿造紙企業(yè)給出了以下幾點(diǎn)協(xié)同減排路徑方案。

3.1 提高企業(yè)各部門技術(shù)水平,減少CO2排放

要從根本上控制CO2排放,達(dá)到協(xié)同減排的目的,提高制漿造紙企業(yè)各部門的技術(shù)水平是首要目的[10]。提高煤炭燃燒水平和原材料處理技術(shù),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(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn),同時(shí)還可以提高原材料利用率,減少原材料的碳排放量,達(dá)到節(jié)能減排的目的。

3.2 提高企業(yè)管理水平,增加綠色科研投入

制漿造紙聯(lián)合工廠擁有數(shù)百名工人,必須提高對工人的管理水平,制定人員規(guī)范準(zhǔn)則[11],以標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)則約束工人,杜絕任人唯親,避免工人之中出現(xiàn)“小團(tuán)體”。與此同時(shí),針對企業(yè)現(xiàn)有工人團(tuán)隊(duì),一方面可以對現(xiàn)有工人和部門作出優(yōu)化,裁掉沒有綠色價(jià)值的部分;另一方面,增設(shè)一些綠色創(chuàng)新部門和崗位,日常工作圍繞節(jié)能減排、企業(yè)綠色發(fā)展等展開,將責(zé)任落實(shí)到每一個(gè)工人的身上,從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

3.3 提高綠色創(chuàng)新能力,把控好每個(gè)環(huán)節(jié)

創(chuàng)新是制漿造紙企業(yè)生存發(fā)展的唯一途徑,要想從根本上控制CO2的排放,要提高企業(yè)的綠色創(chuàng)新能力[12]。首先,從原材料的開采、運(yùn)輸再到加工,每個(gè)環(huán)節(jié)都要遵循綠色理念;其次,對于人員的選擇、技術(shù)的引進(jìn)等同樣也需要有所創(chuàng)新。企業(yè)可以通過與高校、相關(guān)研究機(jī)構(gòu)或者能源依賴型企業(yè)合作的方式,引進(jìn)先進(jìn)綠色新興技術(shù),提高企業(yè)自身綠色技術(shù)研發(fā)能力,從而實(shí)現(xiàn)減污降排[13]。具體實(shí)施過程可分為以下幾個(gè)步驟:

(1)增加企業(yè)對可再生能源的使用率,爭取將化石燃料替換為太陽能、風(fēng)能等。

(2)提高企業(yè)碳捕捉和碳封存的能力,增加碳匯資源存儲量。

(3)增強(qiáng)企業(yè)低碳低排放、高附加值轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)能力,從根本上降低能源消耗,從而降低CO2的排放。

(4)增強(qiáng)企業(yè)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),尤其是使用頻率較高的設(shè)備,做好定期維護(hù)和保養(yǎng),降低事故發(fā)生的概率[14]。同時(shí),企業(yè)還應(yīng)根據(jù)自身能力引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備,對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代,為更好地開展節(jié)能減排工作提供先進(jìn)設(shè)備和工藝[15]。

4 實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)際應(yīng)用中是否同樣合理有效,對其展開實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)在國內(nèi)某知名制漿造紙廠進(jìn)行,該廠擁有1臺漿板機(jī)和1臺紙板機(jī)。

首先,對比應(yīng)用本文方法后,該廠在2019—2021年的CO2排放量,結(jié)果如圖2所示。

圖2 應(yīng)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(yīng)用本文方法后,該廠CO2排放量出現(xiàn)了大幅下降的情況,連續(xù)四年均低于未應(yīng)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(yàn)證本文方法的有效性。同時(shí)從圖2中還可以看出,未應(yīng)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(jié)能減排措施的前提下,仍然加大生產(chǎn),造成了CO2排放量逐年增加的現(xiàn)象;而應(yīng)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(yīng)的節(jié)能減排措施后,嚴(yán)格把控生產(chǎn)中的各項(xiàng)環(huán)節(jié),不斷引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備,使得CO2排放量逐年降低。

其次,對比應(yīng)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(jié)果如圖3所示。

圖3 應(yīng)用本文方法前后能源利用和燃料燃燒對比

由圖3可知,應(yīng)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(jié)省了一筆不小的費(fèi)用。這是由于本文方法主張節(jié)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(yīng)用本文方法前后,該廠在2019—2021年因能源消耗所花費(fèi)的費(fèi)用,結(jié)果如圖4所示。

圖4 應(yīng)用本文方法前后能源消耗費(fèi)用對比

通過觀察圖4可以得知,在應(yīng)用本文方法后,該廠每年因能源消耗所產(chǎn)生的費(fèi)用均得到了降低。這是由于應(yīng)用本文提出的節(jié)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(fèi)用,為企業(yè)節(jié)省了一部分費(fèi)用。

最后,將本文方法應(yīng)用到該廠,對本文提出的3項(xiàng)協(xié)同減排措施效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,驗(yàn)證3項(xiàng)措施具體的CO2減排量,結(jié)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(fā)現(xiàn),措施2為企業(yè)節(jié)能減排做出的貢獻(xiàn)最大、效果最明顯。

圖5 本文3項(xiàng)措施具體CO2減排量

5 結(jié) 論

企業(yè)CO2的大量排放,致使生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重,如不及時(shí)采取措施減污降排,環(huán)境將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞。本文選取一家制漿造紙聯(lián)合工廠,在該廠內(nèi)應(yīng)用核算指南和溫室氣體核算體系,對CO2排放量進(jìn)行分析和核算,并對影響CO2排放量的因素進(jìn)行分析,確定能耗與其之間的關(guān)系,從而給出三點(diǎn)關(guān)于協(xié)同減排的建議。通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,本文提出的CO2協(xié)同減排路徑取得了非常理想的成效,在降低企業(yè)能源開銷的同時(shí),提高了能源利用率和化石燃料燃燒率,為企業(yè)節(jié)省了一大筆的費(fèi)用開銷,助力企業(yè)向更先進(jìn)的方向發(fā)展。