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    雙碳形勢下制漿造紙企業的綠色低碳轉型

    閱讀次數:     發布時間:2022-11-29 16:49:58

    程言君1   張安龍2  侯雅楠1
    1.北京市科學技術研究院資源環境研究所
    2.陜西科技大學環境科學與工程學院,中國輕工業水污染控制工程技術研究中心



           2020年9月,習近平總書記在第75屆聯合國大會上提出,中國二氧化碳排放力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。2021年1月5日,生態環境部發布了《碳排放權交易管理辦法(試行)》,并于2021年2月1日起施行,涵蓋101家造紙企業自備電廠在內的全國碳市場第一個履約周期正式啟動。2021年10月26日,國務院正式發布了《2030年前碳達峰行動方案》,方案指出:“要明確各地區、各領域、各行業目標任務,加快實現生產生活方式的綠色變革,推動經濟社會發展建立在資源高效利用和綠色低碳發展的基礎之上,確保如期實現2030年前碳達峰目標。”這無疑對中國造紙行業提出了更清晰、更高維度的要求,這也意味著造紙行業已切實面臨“碳約束”的新挑戰。

           造紙工業是關系國計民生的基礎原材料工業,存在得天獨厚的天然綠色屬性,具有原料可再生、產品可循環利用、生產廢棄物可轉化為生物質能源等特點。同時,造紙工業又是一個典型的能源資源密集型行業,也是計劃第一階段納入全國碳排放權交易市場的行業之一。對于目前碳排放基數較大、能源供給體系中化石能源占比達80%以上,且消費需求仍在上升的中國造紙工業而言,要如期實現“雙碳”目標,將面臨前所未有的挑戰,同時也是產業綠色轉型和促進高質量發展的重要契機。

           1.造紙工業主要碳排放來源 

           造紙工業企業碳排放源類別主要包括:①自備熱電站、石灰窯、堿回收爐、紙機干燥等工段運行過程中煤炭、燃氣、柴油、重油等化石燃料燃燒直接排放;②備料過程產生的樹皮、木屑,硫酸鹽制漿過程產生的黑液等生物質能源燃燒直接排放;③制漿過程堿回收工段用石灰石、自備電廠脫硫用外購碳酸鹽分解過程產生的二氧化碳排放;④廢水厭氧處理過程中產生的甲烷排放;⑤凈購入使用電力、熱力的間接排放等。根據《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)》,造紙工業企業在進行碳排放核算與報告時,需要核算的溫室氣體包括二氧化碳和甲烷,核算范圍包括上述碳排放源中的化石燃料燃燒排放、過程排放、購入的電力和熱力產生的排放、廢水厭氧處理的排放,而生物質燃料產生的碳排放不計入企業的碳排放總量。相關研究表明,中國造紙工業的碳排放量主要來自于化石燃料燃燒和凈購入電力、熱力產生的排放,且化石燃料以煤炭為主,生物質能源占全部能源的比例不到20%。
           
           2.造紙工業碳排放發展歷程

           中國造紙工業自2000年以來迅速發展,紙漿、紙及紙板、紙制品生產量不斷提高,到2020年已分別達到7378萬t、11260萬t、6860萬t。隨著中國造
    紙工業的飛速發展,其碳排放量也隨之增加。據估算,中國造紙工業2000年的碳排放量約為0.64億t,2015年上升為1.52億t,年均復合增長率約為5.93%。其中,2000-2003年,受全球經濟下滑的影響,我國造紙工業發展趨于平穩,碳排放量增速相對緩慢;2003-2006年,受中國加入WTO影響,造紙工業發展迅速,碳排放量也急劇增加,年均增長率一度達到16.36%;2006年開始,為解決能源資源約束和生態環境問題,我國加大了節能降碳的政策力度和管制措施,隨后2008年的世界金融危機給中國經濟帶來沖擊,造紙工業受到波及,碳排放量增速放緩,甚至有所下降。2009年之后,中國經濟快速得到恢復,造紙工業也得到蓬勃發展,碳排放量于2013年達到高值,約為1.59億t。隨后,在資源、能源和生態環境的多重約束下,以及受2020年以來新冠肺炎疫情影響,造紙工業碳排放量增速放緩甚至有階段性下降,但其排放總量依然不容小覷,目前僅次于電力、石化、化工、建材、鋼鐵、有色等高耗能行業,也被列為首批納入全國碳排放權交易市場的重點行業之一。

           3.造紙工業“雙碳”目標面臨的主要問題

           3.1紙和紙板消費持續增加

           1980年我國GDP總量約4587億元,紙和紙板消費量約350萬t;2000年GDP約100280億元,紙和紙板消費量約3500萬t;2020年GDP約1015986億元,紙和紙板消費量近11827萬t,人均年消費量約為84 kg,高于世界平均水平52 kg/人,但遠低于發達國家平均水平170 kg/人。

           我國由于人口眾多,到2035年要基本實現社會主義現代化,達到中等發達國家水平,作為配套產業的造紙工業仍有較大消費需求空間。根據《造紙行業“十四五”及中長期高質量發展綱要》分析,兼顧2030年國家碳達峰目標,紙及紙板產能增長可能被迫受到抑制,預計到2035年國內紙及紙板需求量應控制在1.7億t以內,較目前還將增加約5000萬t。在消費需求仍將持續提高的情況下,必然要求在產業結構優化、能源消費結構調整、可再生能源替代、節能低碳技術研發等方面取得更多的成果,才能保障造紙工業順利完成“雙碳”目標。
     
           3.2能源資源結構問題突出

           中國造紙工業能源長期以外購為主,主要為高碳含量的煤炭,相比發達國家目前主要使用生物質燃料和碳含量較低的石油、天然氣等能源,我國以煤炭為主的能源結構使得造紙工業碳排放量居高不下。以煤炭為主的能源結構,同時受原料結構、技術裝備、企業規模和產品結構等因素影響,也導致中國造紙工業能源綜合利用率長期低于發達國家水平。2000年以來,造紙原料結構相對改善,造紙工業企業也從國外引進了大量先進技術裝備,有效提高了能源利用效率。2010年我國紙及紙板綜合能耗約為680 kgce/t,2015年降至530 kgce/t,2020年又降至480 kgce/t,《造紙行業“十四五”及中長期高質量發展綱要》提出“十四五”期間還將力爭降至450kgce/t。能源效率水平逐步提高,但能源消費結構問題未能得到根本轉變。

           目前國內大型造紙企業大都采用以自備燃煤熱電廠為主的用能模式。隨著用煤指標的趨緊,以自備燃煤熱電為主的造紙行業在能源結構低碳化轉型方面的任務將十分緊迫。如果不及早謀劃能源結構轉型,部分造紙企業可能會因自備燃煤電廠被強制淘汰而被迫停產。另外,新建項目若規劃以自備燃煤熱電為主要能源供給方式,也將面臨因用煤指標減少而項目不能獲批的風險。

           3.3廢紙回收再利用仍需加強

           廢紙造紙技術流程較短,不僅是節約原材料和保障纖維原料結構的重要途徑,也是實現循環經濟和低碳發展的重要方式,能夠大幅降低制漿過程所消耗的熱力、電力能源,有效減少二氧化碳的排放。據《2021中國造紙年鑒》統計,自2011年以來,我國廢紙回收總量年均增長率約2.63%,2020年已達到約5493萬t,為世界最大的廢紙生產國和消費國。我國廢紙利用率曾一度達到世界較高水平,歷史最高值為2009年的74.4%。近年來由于廢紙進口受限而呈現逐年下降趨勢,到2020年廢紙利用率已下降為54.9%。我國廢紙回收率2011—2020年平均值為46.78%,相比發達國家,廢紙回收率相對偏低。隨著我國廢紙回收體系的不斷完善,以及廢紙進口禁令和“限塑令”的實施,國內廢紙回收利用的循環速度將會加快,同時在疫情防控和國際環境影響下,以國內大循環為主的內循環經濟模式將全面啟動,我國廢紙循環利用力度將進一步得到加強。
     
           3.4理論指引和技術支撐不足

           我國作為發展中國家,尚處于新型工業化、信息化、城鎮化加快推進階段,實現全面綠色轉型的基礎仍然薄弱,生態環境保護壓力尚未得到根本緩解。在此背景下,造紙工業要如期實現“雙碳”目標,亟需系統的理論指引和變革性的技術支撐。我國國情與發達國家存在較大差異,造紙工業未來的能源替代技術和能源利用需求與發達國家也有所不同。制漿造紙過程需要大量熱能,需要對行業替代能源來源和能源利用方式進行研究,探索更加高效的跨行業能源協作模式。

           4.造紙工業“雙碳”目標實現路徑探討

           4.1穩步實現產業和原料結構轉型升級

           產業結構和原料結構轉型升級是引領造紙工業實現“雙碳”目標的重要途徑。一是優化企業布局和規模,提高產業集中度,發展低碳綠色產品,推進新工藝及技術創新,加快行業綠色制造體系建設。二是持續推動“林漿紙一體化”,加大造紙工業林基地建設和林業剩余物資源化利用,形成“以林促紙、以紙養林、林紙結合、協同發展”的產業格局。相比于單一的制漿造紙企業,“林漿紙一體化”企業不僅更易實現制漿造紙過程中的節能降碳,還能通過上游的植樹造林改善生態環境,吸收二氧化碳達到固碳效果,減少二氧化碳的排放。三是通過在沿海地區布局大型制漿生產企業,利用國內外,尤其是國外林業資源,提高國產紙漿的生產規模和生物質能源比例。四是多渠道回收境內廢紙和在境外利用廢紙和包裝物制漿,維持國內原料供應平衡,實現綠色低碳循環發展。五是加快淘汰能效利用率低、經濟效益差的落后和過剩產能,促進造紙工業綠色低碳可持續發展。

           我國造紙行業雖經歷多次結構調整,但企業小而分散的局面仍未得到根本改變,與發達國家相比大型企業的數量和規模還存在相當大的差距。大中型企業的清潔生產水平較小型企業優勢顯著,以單位產品綜合能耗為例,同類型大型企業相較小型企業可降低約36%(見表1)。通過產能升級整合、淘汰落后產能,可從源頭上降低能耗和碳排放水平。

     
     

           當前,通過采用大容量、高參數機組提高發電機組熱效率是提高能源利用效率最直接有效的手段,當發電機組熱效率從目前的30%提高到45%,碳排放量將降低約32%。據排污許可信息統計,目前我國造紙行業直接以煤炭作為燃料的企業有1237家,其中年煤炭消耗量小于1萬t的企業占45%,存在明顯的低效、分散用能現象。早在2012年,原環境保護部環發[2012]98號文已明確指出,制漿造紙項目須入區入園布設。工業園區通常都建有集中熱電設施,這為造紙企業實現區域整合、依托園區公共設施提高能源利用效率、降低碳排放量提供了良好的基礎條件。
     
           4.2有序推進能源結構調整和燃料替代

           在國家雙碳政策背景下,要求造紙企業優化和調整能源結構,發展高效節能技術和清潔利用技術,提高非碳能源占比,以綠色清潔可再生能源代替化石能源。構建新型能源供應系統,是造紙企業實現綠色低碳發展的核心內容。造紙工業減污降碳重在減少煤炭的使用,充分依托生物質能源方面的行業優勢,盡可能以生物質燃料替代煤炭將是現階段造紙工業推動能源結構低碳化切實可行的途徑。企業可在充分利用自產樹皮、木屑、干化污泥等的基礎上,加大區域內其他可用生物質燃料的收集和使用,以提高生物質能源的占比。另外,通過自備熱電站煤改氣、堿回收爐及石灰窯等的能源清潔化改造,對廢水處理過程中厭氧環節產生沼氣進行回收利用,以及提高光伏發電等清潔能源使用等,均可有效減少碳排放。關于燃煤鍋爐能源清潔化改造,國內某廢紙造紙企業建有1臺180 t/h的燃煤鍋爐,將燃料由煤炭替換為天然氣,每年可減少二氧化碳排放量34.16萬t。關于石灰窯能源清潔化改造,國內某企業制漿年產能200萬t,通過將石灰窯燃料由重油替換為天然氣或生物質氣,每年可減少二氧化碳排放量分別為6.09萬t和22.12萬t。關于光伏發電清潔能源使用,國內某造紙企業廠內光伏裝機容量19.9MW,平均每年可生產2100多萬kWh的太陽能綠色電力,每年減少二氧化碳排放量2萬余t。歐美國家造紙行業生物質能源占全部能源的比例已達60%以上,個別國家甚至超過70%,我國造紙行業生物質能源占比不到20%,生物質能源開發利用潛力巨大。
     
           4.3加強廢棄物利用,降低能源資源消耗

           加強廢棄物利用、降低能源資源消耗、提升能源資源利用效率是實現碳減排的重要措施。一是配合“林漿紙一體化”和廢紙回收利用,適當增加木材纖維的使用比例。以木材作為原料生產紙產品不僅能保障產品的高質量,而且木材纖維的收獲率高,消耗的制漿化學品和能源較少,碳排放和污染相對較低,回收利用率也遠高于非木材。二是推動完善相關標準體系和使用水性阻隔涂層技術等,加強對廢紙的回收利用,減少能源資源、新鮮用水、化學品的消耗,助推節能、減污、降碳協同增效。三是對非木漿進行合理開發與使用。我國可利用的非木材纖維來源廣泛,造紙企業可探索研發先進的低碳處理技術和相關設備,進行清潔化生產并提高非木材纖維得率,尤其是我國資源豐富的竹材。四是處理造紙廢水產生的污泥數量龐大,且成分結構較為復雜,含水量較高,加強污泥資源化、無害化處理將是造紙工業提高能源資源效率的重要突破口之一。

           4.4探索研發節能低碳和CCUS技術

           隨著節能降碳壓力的與日俱增,尋求相關技術突破將是造紙工業轉型升級的關鍵。造紙工業企業越來越重視在連續蒸煮、余熱回收、廢紙利用、熱電聯產等生產過程中節能低碳技術的研發,以及在生產中使用生物質能源和納米材料等新興材料。其中,化學法制漿采用封閉篩選代替開放式篩選,節水、節能效果良好,目前化學法制漿企業封閉篩選技術應用比例已達80%以上。紙機壓榨部采用靴型壓榨代替常規壓榨,干燥部能耗下降了18%。紙機干燥部烘缸通過采用封閉氣罩回收紙頁干燥過程中蒸發水蒸氣的熱量,提高送風溫度降低能耗;采用透平風機替代傳統水環式真空泵,真空系統能耗可下降30%以上。同時,造紙行業還具備開發應用負碳技術的基礎。對于堿回收過程中產生的苛化白泥,大型漿廠一般采用石灰窯煅燒法,使白泥再生成生石灰循環使用,該過程不僅要消耗大量的重油,原本固定在白泥中的碳也重新回到大氣中;而將白泥用于生產碳酸鈣填料,不僅實現了白泥的資源化利用,也產生了明顯的負碳效應。目前該技術已在岳陽紙業、太陽紙業、中冶銀河、新鄉新亞等企業實現了產業化應用,苛化白泥生產的填料碳酸鈣指標完全可以作為造紙填料,應用于文化用紙等各紙種。
     
           除工藝過程采用節能技術外,污染物末端治理過程中仍有一定的能源回收潛力。以漂白硫酸鹽法化學制漿工藝為例,蒸煮工段溫度一般在145~165℃,漂白工段溫度一般在75~85℃,產生的廢水在車間進行熱交換回收熱量后,進入污水處理系統的溫度在55~60℃;化機漿制漿廢水水溫在50~70℃,該類廢水常規須經冷卻后才能進行生化處理,而采用熱泵技術,通過消耗少量電能或化石能源,回收廢水低溫余熱的同時,減少了冷卻過程耗能,獲得雙效收益。目前該技術已在部分企業成功應用,太陽紙業采用污水源熱泵技術,將廢水水溫降低10℃,回收熱量用于加熱余熱鍋爐補水,年可節約標煤2.78萬t,年節約資金2158萬元,取得了良好的環境效益和經濟效益。

           從碳中和總體目標來看,將不得不排放的二氧化碳,通過生態建設、工程封存等措施固碳,以達到碳中和。深入開發CCUS(碳捕集、利用與封存)技術是其中的重要可能途徑之一,被捕獲的二氧化碳還可以作為高附加值產品的原材料或者化學品,如將二氧化碳制成化學品(燃料)微藻的生產、混凝土碳捕集、生物能源的碳捕捉和存儲,以及制漿造紙中酸析木質素、生產塔羅油、沉淀碳酸鈣和利用二氧化碳作為反溶劑生產木質素納米顆粒等。其中,沉淀碳酸鈣技術目前已較為成熟,以國內某造紙企業為例,通過將循環流化床鍋爐煙氣中二氧化碳轉化為輕質碳酸鈣,年產能為20萬t,每年可減少二氧化碳排放量約8.8萬t。

           4.5全面提升行業企業碳排放管理水平

           在“雙碳”目標愿景和碳交易市場機制下,提升造紙工業企業的碳排放管理水平將是有效應對碳減排壓力的重要手段。造紙工業企業應加強碳排放數據的監測、統計、核算、報告和碳資產的經營管理,協同產污、治污、排污的全過程環境管理要求,從原材料使用到產品的生產和出售,每個環節都要對碳排放加以檢測和管控,制訂企業減污降碳協同管理戰略、構建企業環境管理體系、發展企業綠色低碳文化。
     
           首先,應建立健全碳排放核查核算制度,根據《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)》中的核算邊界,針對企業生產過程中的關鍵環節,做好碳排放核算工作,摸清自身排放水平,挖掘減排潛力,為獲得碳配額、參與碳交易和對應進行節能低碳技術改造奠定基礎。其次,要將碳配額作為資產進行管理,積極參與碳排放權交易,在通過技術改進減少碳排放的同時,也要充分利用市場手段實現減排目標,兩者相互配合,提高履約效率,降低履約成本,獲取減排效益。另外,還要加強碳排放管理體系技術支持力量,設置節能降碳管理機構,注重碳管理人才隊伍建設,建立貫穿企業碳排放全生命周期的碳管理制度和數據信息系統,明確整體產業鏈及工序的降碳關鍵點,通過科技創新及應用不斷推進企業減污降碳轉型落地。
     
    參考文獻
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