麥草造紙碳足跡算法及低碳路徑研究

麥草造紙碳足跡算法及低碳路徑研究

張 歡 張 輝＊（南京林業大學 江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室, 江蘇 南京, 210037）

探討了麥草造紙業碳足跡及碳匯率計算方法；進而輔以國內典型規模與技術水平企業麥草產文化用紙生產線（40 t/d）為例,計算其碳匯率；最后提出提高我國麥草造紙碳匯率的路徑。研究結果表明，造紙業碳足跡計算適用于生命周期法；我國典型企業麥草產漂白文化用紙線（40 t/d）的噸紙碳排放量的CO2為2 072．5 kg，碳匯率為0．78；企業須加大生產規模至80 t/d以上、采用節能高效先進生產工藝與裝備降低碳排量，可實現麥草造紙碳匯率大于1．0。

制漿造紙 麥草 碳足跡 碳匯率 低碳路徑

溫室效應對人類的巨大危害促使全球發展低碳經濟與低碳產業。作為國民經濟重要支柱產業之一的造紙業以植物纖維作為原料，一方面生產過程涉及到大量生物質消耗與生物質能源、化石能源以及添加化學品，另一方面排出大量溫室氣體（GHG），使該產業碳足跡計算具有復雜性和典型性，成為國際關注的焦點，因此需要研究造紙碳足跡，以便發展低碳造紙技術。造紙業發達國家（如美國、加拿大、日本、芬蘭、瑞典等）對林漿紙一體化造紙過程進行了碳足跡研究，為發展低 碳造紙業提供了理論依據，但均為木材原料造紙。我國作為農業大國，且森林資源匱乏，基本國情決定了我國造紙業以草類為原料的占有一定比例。作者以國內典型規模和技術水平的麥草產漂白文化用紙的造紙企業為研究對象，探討了草類原料造紙碳足跡及碳匯率的算法，進一步采用生命周期法LCA（Life Circle Assessment）計算其碳足跡與碳匯率，對國內外草漿造紙企業碳足跡評估和低碳路徑研究制定產業政策，以及推進低碳麥草造紙技術產業均有一定的指導作用。

1 麥草造紙碳足跡計算工具

1.1 麥草造紙碳足跡評價標準的確定

很多國家和地區根據本國本地區的具體情況編制相應的碳足跡計算標準，如：我國江蘇省就在著手制定《省級溫室氣體清單編制指南》。針對家庭或個人的碳足跡，可以直接使用“碳足跡計算器”來計量，但只針對簡單個體且計算不精確系統。如今各國各行業都在進行碳足跡的計算評估，目前國際雖然沒有形成統一的碳足跡評價標準，但基本被認可的標準[1]主要見表1。

表1所列的幾種評價標準是針對國家層面的宏觀碳足跡計算標準，國與國之間的“碳交易”制度[2]，如：清潔發展機制（CDM）、聯合履行機制（JI）以及排放貿易機制（ET），均依托表1所列的評估標準。目前國際上主要關注的碳足跡評估標準為碳信托(Carbon Trust)和英國環境食品農業部門委托英國標準協會（BSI）所指制定的PAS 2050 產品和服務生命周期溫室氣體排放評估標準。本文的碳足跡計算使用表1中所列的標準。

1.2 麥草造紙碳足跡計算公式和單位的確定

（1）碳足跡計算公式的確定。如1.1節所述，碳足跡計算器只適用于簡單個體系統且精確度不高，本文不予采用。對于復雜系統，目前普遍使用的碳足跡計算方法有兩種。

①是流程分析法（PA）[3]。流程分析法從產品端向源頭追溯，連接與產品相關的各個單元過程（包括資源、能源的開采與生產、運輸、產品制造等），建立完整的生命周期流程圖；再收集流程圖中各過程單元的GHG排放數據，并進行定量轉換描述；最終將所有的GHG排放統一使用CO2作為表述單位。

表1 國際碳足跡評價標準Table 1 International evaluation standards of carbon footprint

②投入-產出法(I-O)[3]。投入-產出分析法從源頭（原材料開采、農作物種植等）開始向后延伸，直至最終廢棄。評價中使用國家層面各個部門（采礦、運輸、產品制造、銷售等）的平均數據，并通過將產品相關部門間的供應鏈強度相乘來計算整個系統的碳足跡。

以上兩種方法均基于LCA。本文的研究邊界為產品從原料到制漿再到成品紙，不包括產品出廠后的最終產品命運，因此采用PA來計算評價國內典型麥草制漿造紙企業的碳足跡（即碳排量）和碳匯率更為科學合理。

具體在計算碳排量時，計算公式[4]為：

（2）碳足跡計算單位及GHG評估范圍的確定。在碳足跡計算時，文獻中提到的GHG減排有指減排CO2，有指減排碳量（以C計算），兩者結果有別，相差3.67倍。目前國際比較流行的是以CO2排放量來計算，基于此研究CO2的碳足跡計算方法和相應的評價指標。

《京都議定書》規定需要 監測統計的GHG排放量有6種：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）以及六氟化硫（SF6）。目前國際主要關注前3種。本研究也以這3種溫室氣體的排放量為研究對象。

計算GHG排放量時，以氣體的質量（kg或t）為計算單位。由于最終結果需包括所有監測溫室氣體的排放總量，非CO2的GHG（如CH4、N2O）雖然排放量不大，但評估碳足跡時需要包含在最終的總排放量中。即使產生CH4和N2O的來源是生物質燃料，也不可忽略，因為CH4和N2O不參加大氣層中CO2的循環。要對企業生產過程排放出的CO2、CH4及N2O進行加和，需將它們量化為統一的計算單位。由于CO2是人類生產活動產生的最主要的GHG，故以CO2（kg）作為量度溫室效應的基本單位。對于CH4和N2O，在算出各自的排放量后，再乘以各自的全球變暖潛能值（Global Warming Potential）,最終得到的總CO2排放量進行加和。

GWP為“非CO2”GHG制定的以CO2計算的排放因子。本研究用到的GWP值[5]分別為CO2：1、CH4：21、N2O：310。根據不同的評價指標或標準，GWP值可能會有差異。本文以IPCC為準。

1. 3 麥草造紙碳足跡計算流程

碳足跡計算按圖1所示流程進行。碳足跡的計算過程中最重要的是邊界的確定。不同邊界的劃分會導致碳足跡計算結果的不同，本研究中根據典型企業調研獲得的情況以及現實條件的限制劃定了一個合理的計算邊界。按過程分析法計算出各項碳排放量后繪制碳平衡圖，以計算碳匯率。

圖1 麥草造紙碳足跡計算流程圖Fig.1 The flow chart of straw papermaking carbon footprint calculation

2 麥草造紙碳足跡案例評估

2.1 評估對象與目標

以國內典型具代表性生產規模與技術水平的日產40 t定量60 g/m2的麥草原料生產雙膠紙的制漿造紙過程的碳足跡為研究對象，制漿方法采用堿法制漿。 設計其計算邊界主要包括：從原料備料、制漿再到造紙這一過程引起的直接碳排放量（其中：生物質碳足跡以及其余間接碳排放不在計算邊界內）。通過碳足跡計算，最終得出每噸 60 g/m2雙膠紙排放GHG量（以CO2計）以及該生產線的碳匯率。

2.2 麥草造紙碳足跡評估數據

由式（1）可知，碳足跡評估主要需兩大類數據：能產生GHG的活動數據以及相應的碳排放因子。本研究用到的活動數據大部分來自企業生產一線實際數據。碳排放因子主要為國際標準提供的缺省值；少部分是根據我國實際，查閱相關的能源統計數據獲得，如：電力的碳排因子IPCC缺省值為0.991 kg /kWh[6]（以CO2計，以下未特別標注的碳排放均指CO2），我國推薦使用電力碳排因子[7]為0.997 kg /kWh。本研究使用后者。

2.3 麥草造紙碳足跡計算

（1） 蒸汽消耗的碳足跡計算。從該生產線現場獲得的數據得知，制漿部分每天總耗汽量為32.4 t，其中：蒸煮工段耗汽23.6 t，洗滌篩選工段耗汽3.5 t，漂白工段耗汽5.3 t；造紙部分每天總耗汽96 t，主要用于干燥部，具體為預干燥部消耗23 t、后干燥部消耗62 t、在線制造添加化學品使用蒸汽11 t。該企業的蒸汽是由電廠燃煤鍋爐產生，因此可以通過燃煤量來折合成對應的CO2排放量（IPCC直接將用煤量轉化為CO2計算）。但具體電廠使用的煤量無法直接獲得，因此通過式（2）間接計算獲取用煤量。

蒸汽熱焓值可以通過使用的蒸汽品質（生產線調研獲取）查手冊[8]得到。該生產線使用蒸汽的品質及查得的用煤量（以標準煤計）列于表2。

表2 日產40 t制漿造紙生產線蒸汽品質及用煤量Table 2 Steam quality and used coal in the 40t/d pulp and papermaking production line

下面以麥草造紙部分為例探討因蒸汽消耗引起的CO2排放量的計算過程。

同樣計算得制漿部分蒸汽消耗GHG排放量為12 299.6 kg /d，該生產線汽耗引起的總碳排放量為48 347.7 kg /d。

（2）耗電碳足跡計算。根據我國使用電煤品質及發電技術水平，用電的碳排因子為0.997 kg / kWh。該生產線制漿部分耗電為6 034.3 kWh/d，造紙工段耗電為28 623.8 kWh/d，由此可見造紙部分是用電主體。同樣，根據IPCC的GHG計算工具計算得出：制漿部分耗電產生6 016.2 kg /d的碳排量，造紙部分耗電產生28 537.9 kg /d的碳排量。

（3）添加化學品碳足跡計算。整個制漿造紙過程使用的添加化學品種類很多，如：蒸煮漂白助劑、品藍、AKD、CaCO3、Na2CO3等，碳足跡評估時主要考慮CaCO3和Na2CO3對溫室效應的影響，因為這兩種化學品有潛力排放CO2。該生產線在進入造紙機之前，高位箱部位使用的CaCO3為車間現場制作，屬于直接排放，在邊界范圍內。制作原理為Ca(OH)2+ CO2= CaCO3+H2O。其制作過程中吸收的CO2等于其有潛力釋放的CO2，故該過程的GHG排放量主要是制備過程耗用的電量，耗電引起的碳足跡已包括在（2）中。

（4）生物質能源碳足跡計算。制漿造紙過程涉及到的生物質能源種類很多，如：備料工段除去的草葉、穗、根等，蒸煮工段損失的纖維量（主要存在于黑液中），洗滌篩選以及漂白過程損失的纖維等都屬于生物質能源。該生產線蒸煮后產生的黑液固含量16%左右，洗滌篩選損失的纖維量占草漿漿總量的0.25%，漂白總損失為5%，進一步可計算出對應的碳排量。但是在最終的GHG排放清單中應該將這些生物質能源產生的碳足跡和石化能源（電、煤等）產生的碳足跡分開計算，且生物質能源產生的碳足跡不包括在總的GHG排放量中，因為生物質能源產生的碳足跡參與大氣中CO2的循環，即這部分碳排不會增加大氣中本來CO2含量[6]。

綜合以上計算結果，該日產40 t生產線的碳足跡為82 901.8 kg /d，即每生產1 t紙的碳排量為2 072.5 kg /d。

2.4 麥草造紙碳匯率計算

碳匯率指碳儲存的質量與碳排放量之間的比值[9]。用于產品的碳匯率指標可以評價該產品的整個生命周期碳儲存量和碳釋放量的情況。本研究并未對該產品的整個生命周期進行評估，邊界范圍僅為從原料到成品的制造過程，但對國內草漿造紙企業的碳足跡評估結果的準確性沒有影響，故計算結果對國內典型麥草原料造紙生產單線的碳足跡評估和低碳路徑研究有參考價值。

通過碳平衡圖的繪制可以很清晰地計算出碳匯率。該日產40 t雙膠紙的制漿造紙生產單線碳平衡圖見圖2（圖中數據單位為kg /d）。

圖2 麥草造紙碳足跡碳流平衡圖Fig.2 Carbon flow balance of straw papermaking carbon footprint

日產40 t雙膠紙需消耗絕干草類原料40 t，備料工段除塵率10%，1 t原料可固定1.8 t CO2，即除塵后原料固碳量為64 800 kg。此外，備料工段還要除去一部分的根、葉等有機物，這部分屬于生物質碳，因此不在計算范圍內，整個邊界范圍的碳信用為64 800 kg。根據圖2可以計算該生產線的碳匯率為0.78。

3 結果與討論

計算結果表明，國內典型草漿產漂白文化用紙企業日產40 t的制漿造紙線每噸紙的碳排量CO2為2 072.5 kg ，碳匯率為0.78。即該產品在其制造過程中向大氣中增排了CO2，不符合低碳造紙的要求，故須有合理的措施，使其碳匯率大于1。由碳匯率的計算公式得知，碳匯率的大小與原料固碳量以及生產過程碳排量直接相關。對于一個企業來講，其原料是確定的，原料固碳量為定值，要使得碳匯率大于1，需降低生產過程的碳排放量，可從擴大單線的生產規模、采用新工藝這兩個角度通過降低能耗來獲得盡量低的碳排放量。

3.1 擴大規模效應

本文調研的生產單線規模較小（具有國內典型代表性），日產僅40 t/d，單位耗電量為866.45 kWh（以1 t紙計）。無論草漿、廢紙漿還是木漿造紙部分其蒸汽耗量基本一致，均為隨單線規模增加而單耗下降。故可從降低電耗角度考慮使得該典型生產線碳匯率為1.0時的生產規模。由圖2得，若使該日產40 t的典型生產線碳匯率恰好為1.0，總碳CO2負債為64 800 kg/d，此時的電耗碳足跡為16 452.3 kg /d，即每產1 t紙耗電量為411.31 kWh,查相關文獻[10-11]并計算該單位耗電量下生產線規模其產量為80 t/d。即當本文調研生產線規模擴大到80 t/d時，其造紙碳匯率為1.0。

3.2 采用新裝備新工藝

在生產線的某個工段更換先進的設備可降低能源（電、汽）的耗用量。本文中的生產單線使用蒸球蒸煮（蒸球產能低，單位能耗較大）。若將其換成橫管式連蒸器實現連續蒸煮，必能大大降低能耗，同時也能提高單線產量；用多盤磨代替傳統圓盤磨漿機，選用組合復合篩節約能耗，增加熱回收系統也是很好的減少一次能源耗用的措施；另外，采用中濃打漿或提高成型上網濃度，可以節電和減少干燥耗汽等。

4 結束語

對國內目前典型生產規模（40 t/d麥草產雙膠文化紙生產線）和技術水平的草漿造紙企業制漿造紙線進行碳足跡算法評估研究，得出以下結論：

（1）麥草制漿造紙企業的碳足跡評估適合LCA的流程分析法，使用國際認可的碳足跡評價標準，以從原料制備制漿再到造紙這一生產過程為研究邊界范圍。

（2）評估邊界范圍內由于蒸汽消耗碳足跡為48 347.7 kg /d，電力消耗碳足跡為34 554.1 kg /d。

（3）得該典型生產線碳匯率為0.78，即產品在生產過程增加了大氣中的CO2量。

（4）要使碳匯率≥1，可擴大其單線生產規模至80 t/d以上；或更換蒸球、圓盤磨等傳統設備為橫管連蒸器、多盤磨等實現節約能耗，或采用先進節水、節電、節汽工藝等。

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＊通訊作者：

張輝 教授；研究領域為制漿造紙節能減排與低碳技術、高速紙機運行狀態監測與故障診斷技術；E-mail: hgzh@njfu．edu．cn參考文獻：

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作者介紹：張軼凡

通訊地址：山東省濟南市歷下區燕子山西路10-2號，郵政編碼：250014

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亞太森博30萬t液體包裝紙項目成功開機

2014年6月12日下午，亞太森博（山東）漿紙有限公司年產30萬t液體包裝紙板項目試生產的第一卷紙成功下線，標志著該公司進軍高端市場，拉長產業鏈，為國產高端液體包裝紙市場添新力。

亞太森博擴建年產30萬t液體包裝紙板項目，總投資18.8億元，于2012年12月開工建設，該項目從德國引進全世界最先進的全套設備，充分利用亞太森博自產的濕漿，最大限度地減少了烘干、裁切、運輸等中間環節，大大降低了原材料及水、電、汽等資源消耗，不僅降低了成本，優化了產品結構，提高了產品質量和檔次，還更好地實現了環保、低碳、資源節約生產。

Carbon Footprint Calculating Method for Pulping and Papermaking with Straw Material and the Measurements for Lowing Carbon

ZHANG Huan, ZHANG Hui
( Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology Nanjing Forestry University, Nanjing, 210037, China )

Firstly discussed was the calculating method of carbon footprint and carbon sequestration ration in straw papermaking industry; then a cultural paper production line(40t/d) with straw material, which represents domestic typical scale and technical level at present was used as an example, calculated was its carbon sequestration ration; finally pre sented was the ways to improve carbon sequestration ration of domestic papermaking with straw material. Results show that, the carbon footprint calculation of papermaking industry is suit for life cycle assessment, the carbon emission and the carbon sequestration ration for 1t paper in the typical line are 2248.5 kgCO2 and 0.8, respectively; production scale of the process line should enlarge from 40 t/d to 60 t/d, and an advanced productive technology and equipment are uesd, which can reduce carbon emission, so as to make carbon sequestration ration of straw material papermaking ＞1.0.

Pulping and Papermaking; Straw; Carbon Footprint; Carbon Sequestration Ration; Low Carbon way

TQ35;TS71

A

0253-2417（2012）00-0000-00

國家科技支撐計劃（重大項目2011BAC11B01）；江蘇省2011年度普通高校研究生科研創新計劃項目(CXLX11_0528)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

張歡（1988—） 女 碩士生 主要從事制漿造紙工業碳足跡評估的研究。