“双碳”目标下工程行业助力制浆造纸行业绿色建造与可持续发展

“双碳”目标下工程行业助力制浆造纸行业绿色建造与可持续发展

　　热水器节能设计,节能设计星级,电力节能器设计我国是纸浆消费大国，且随着国内疫情得到有效控制，宏观经济复苏，造纸行业的需求也在不断扩大。2018年我国人均生活用纸消费量6.4 kg，2019年达6.9 kg，预计2022年有望突破8 kg。与此同时，瑞典、美国等发达国家的人均生活用纸消费量已达20 kg以上，日本、韩国人均生活用纸消费量达15 kg以上，说明我国生活用纸人均消费量与发达国家相比，仍有2~3倍成长空间。

　　此外，“限塑令”的实施也为造纸行业带来了新的发展机遇。2020年，上海、浙江、江苏、云南、贵州等地均发布了关于加强塑料污染治理的相关方案和要求，其中包括逐步限制甚至禁止部分一次性塑料用品的使用。随着“限塑令”的实施，“以纸代塑”市场真正被打开。

　　为满足纸浆市场需求，制浆造纸行业将不断扩大生产，进而加大对能源的投入使用。传统造纸企业是以煤为主要能源的高耗能产业，与我国追求的绿色经济、“双碳”目标相悖。因此，如何采取强有力的碳减排措施，实现能源结构的低碳化，是制浆造纸行业助力国家落实“双碳”目标的关键。

　　为实现造纸行业的碳达峰、碳中和，国家发布多项政策，从宏观角度提出要求，如加快造纸行业改造升级，完善绿色建造体系；规定2025年是禁止、限制使用塑料制品的最后期限，“以纸代塑”为传统造纸业带来新机遇；鼓励高车速、大幅宽的新型造纸机以及循环、低碳技术的引用等，行业节能和绿色改造是一致认同的建设目标。

　　因此，本文从工程行业角度出发探讨制浆造纸企业应对“双碳”战略目标，绿色建造的重要性，应当采取何种关键性的碳减排措施、调整高碳能源结构，以及未来数字化、智慧化工厂的建设趋势，希望能给制浆造纸行业读者们带来一定的启示，思考采用新技术、新模式，抓住国内不断攀升的造纸市场与“双碳”目标带来的新的发展机遇。

　　国家在十四五发展规划及“碳达峰”“碳中和”的目标中对造纸行业的发展方向提出以下关键词：绿色低碳发展、降低碳排放强度、智能制造标准体系和高质量发展等。因此，必须从其能源结构、生产环节的整个流程予以把关，实现每一环节的低排放、绿色生产。工程行业能很好地实现整个流程的管控，从绿色建造出发，将“双碳”目标完全融入咨询、设计、工艺技术、施工、运营全过程。

　　2021年3月，《绿色建造技术导则（试行）》中指出绿色建造是指按照绿色发展的要求，通过科学管理和技术创新，采用有利于节约资源、保护环境、减少排放、提高效率、保障品质的建造方式，实现人与自然和谐共生的工程建造活动。绿色建造应将绿色发展理念融入工程策划、设计、施工、交付的建造全过程，充分体现绿色化、工业化、信息化、集约化和产业化的总体特征。

　　“双碳”目标包括“碳达峰”“碳中和”2类内容：“碳达峰”是指在某一个时间点，二氧化碳的排放不再增长达到峰值，之后逐步回落；“碳中和”是指企业、团体或个人测算在一定时间内，直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放，实现二氧化碳的“零排放”，两者能让二氧化碳排放量得以“收支相抵”。

　　绿色建造将“双碳”目标落实于绿色策划、绿色设计、绿色建材、绿色施工、智慧工地、绿色交付、建筑信息模型等工程服务过程。聚焦于制浆造纸行业的“双碳”目标，绿色建造主要从能源结构的优化调整入手（绿色策划），推动技术创新与突破（绿色设计），利用数字化对整个生产过程进行管理（绿色交付、建筑信息模型），严格从“能源端—生产端—排放端—运维端”全过程管控碳排放。

　　据统计，制浆造纸行业碳排放量约为1亿t/a，约占全国总排放量的1%，大部分来自化石燃料燃烧，以高碳含量的煤为主。因此，实现绿色建造的首要问题在于调整传统造纸业高耗能的能源结构，包括优化能源结构、构建清洁低碳安全高效的能源体系、提高利用效能和利用可再生能源进行替代。本文以某公司在优化造纸行业能源结构上的探索与成效为例进行论述。

　　林浆纸一体化循环发展，是世界发达国家造纸工业的经验，即在市场机制的促使下，将原来分离的林、浆、纸3个环节整合在一起，让造纸企业负担起造林的责任，自行解决木材原料问题，发展生态造纸，形成“以纸养林、以林促纸”的产业格局，促进造纸企业永续经营和造纸工业可持续发展。

　　20世纪90年代，某公司开始为国际一流造纸企业提供林浆纸一体化项目的咨询与设计服务，选用先进的工艺流程及国内外领先设备，从而节约能源和资源，实现清洁生产、绿色管理、污染可治理等目标。在工程中，该公司多选择竹为原材料，造纸行业对生产用料的大量需求，也会促进竹林的种植面积不断扩大，可有效提高竹林碳储量，起到很好的生物固碳效果。

　　解决能源用料端的措施还包括能源重复利用及可再生能源的替代。该公司优先采用优化碱回收、热电联产技术，对制浆造纸厂进行改造。如在碱法制浆时，将其中的化学药品和热能回收、再利用，实现能源的重复使用；根据生产所需的蒸汽配备自备电站，以热定电，提高能源利用率；开发光伏、风能等新能源技术应用等。通过采用生物质原料和可再生能源、优化碱回收、热电联产等方式调整制浆造纸工业以煤为主的能源用料结构。

　　造纸工业的“节能减排”目标，除国家政策的指导，更需企业采取实际行动进行技术升级与创新，改变现有高排放、高污染的生产现状。

　　由该公司设计的某大型新建竹浆厂为提高资源综合利用水平，充分利用黑液、废渣、污泥、生物质气体等典型生物质能源，提高热电联产对生产环节产生的余压、余热等能源利用率，以及对废气、废液以及其他废弃物进行回收利用的能力，最大限度实现资源化，如所示。

　　该公司设计时，系统配置以国产设备为主，关键部位引进国际先进技术及设备，并注重对已有环保设施的完善，严控系统排放标准。经过一系列清洁生产、节能减排措施，各类实际运行指标（如主要公用工程消耗定额、污水（液）、废气、废渣排放量及排放指标）均达到并赶超国内领先水平，大幅度降低了制浆造纸的综合能耗。

　　蒸煮技术同样需要进行技术革新。现代制浆蒸煮技术主要分为间歇蒸煮和连续蒸煮。传统的间歇蒸煮具有生产灵活、机械可靠性较好和投资低等优势[1]。连续蒸煮能耗低、纸浆质量稳定、污染少。目前该公司在各个制浆造纸项目中，依情况本土化蒸煮技术，主要有横贯连续蒸煮技术、超级间歇置换蒸煮系统、塔式连续置换蒸煮技术，达到了良好的降碳减排效果。

　　该公司承接的制浆造纸工厂漂白浆漂白工段如所示。通过无元素氯（ECF）漂白实现降低用水量和污水排放量的目标，大幅度减少漂白废水中的总活性卤素和总氯代酚等有毒物质。

　　为保证工厂的低碳、清洁生产，需要对电能消耗及生产中产生的能源利用进行改造升级及产能提高，对工厂进行节电改造，解决车间耗电较高的问题。该公司在工程设计中优化或减少工艺设备，如通过切削或更换离心泵叶轮，使泵在高效率区运行；通过使用变频电机，优化变压器荷载及供配电线路等。某项目中，该公司对40余项泵的流量进行优化设计，修改管道，停泵、换泵及切割叶轮，大幅度降低了间接煤炭发电的能耗，耗电量从5412 kW降低至4838 kW，实现总节电3597 kW。

　　据统计，2014年我国污水处理厂电耗占全国总电耗的0.26%，加上工业废水处理电耗和污泥处理电耗，所占比例超过2%[3]。传统污水处理，使用大量电能用于排水，间接产生大量二氧化碳排放，对全球生态环境造成负面影响。因此，为了减少碳排放，降低污水处理能耗是实现“双碳”目标的必行之路。

　　在制浆造纸行业的废水处理中，该公司设计时以“中水回用”的方式将制浆造纸废水全部回收利用，通过开源实现能量自给，从根本上解决绿色低碳发展问题。该项目中水循环回用技术，利用沼气实现能源替代。经过优化后的污水处理工艺，可以有效回收有机物能量，利用沼气热联发电，实现“碳中和”。此外，这一技术处理后的工业废水回用率达98%；每年实现节约用水约2000万t，减少向水体中排放COD、BOD分别为1500 t和400 t，最大限度避免污水碳源流失，减少甚至无需补充反硝化的外加碳源，实现处理过程中的碳平衡。

　　2021年，我国将“限塑令”升级为“禁塑令”，可再生、代塑包装成为了食品、外卖等多行业的热门话题。

　　该公司致力于数字化工厂设计，将数据化管理应用于纸膜成型工段。以其总承包的某绿色环保纸浆模塑新材料智能工厂项目为例，一方面创新研发传统塑料包装的替代品——纸浆模塑包装产品；另一方面融入先进的BIM智慧制造技术，实现对工厂设计、建造、生产、运维等一系列服务环节的智能管理。

　　该项目选择生长快、复合率高的竹浆、蔗渣浆等天然植物，节省了大量木材，贯彻林浆纸一体化。同时，在纸膜成型工段应用传感识别、人机智能交互、智能控制技术和装备，促进车间计划排产、加工装配、检验检测等各生产环节的智能协作与联动，并在整个工厂的运维接入制造执行系统与产品数据管理（PDM）、企业资源计划（ERP）等系统的互联互通，实现全流程动态智能管控。

　　导热油炉采用低氮型燃烧器，烟气出口设置空气预热器，采用烟气再循环系统降低烟气中氮氧化物浓度，锅炉房排烟温度小于170℃，氮氧化物浓度小于30 mg/m3。

　　模塑领域固废主要包括废盘纸、废包装材料、生活垃圾等。废盘纸送车间损纸系统；废包装材料收集后外卖；生活垃圾集中收集后委托环卫部门处理。

　　通过分散控制系统和生产信息化管理系统的结合运用，实现车间内物流、检测、仓储无人化操作，制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理进行数字化管控。利用数据化对工厂进行管理后，用工人数减少近50%。数字化管理界面及成效如所示。

　　制浆造纸行业同样可以利用数字化技术，全流程管控碳排放、追踪碳痕迹，实现24 h无间断、全流程的碳管理，弥补人工运维的不足。为制浆造纸行业数字化交付示意图。

　　工业锅炉系统数字孪生示意图如所示。制浆造纸行业数字化“双碳”管理，可通过数字孪生技术，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期。其中，数字孪生技术除数字化的仿真运维并作用于实体进行实际运维外，还可在厂房及生产线建造前完成数字化模型，从而在虚拟的赛博空间中对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设。而厂房和生产线建成后，在日常的运维中二者可继续进行信息交互。

　　传统工程服务中采用“割裂式”的移交模式，即只负责前期的设计、采购、施工及调试等工程服务，工厂或项目移交后，将不再负责运行维护的工作，这将导致无法快速精准地实施生命运维期能耗的碳管理。制浆造纸行业利用数字化技术，将传统的移交模式改为“累进式”移交。工程服务方、业主需求方通过数字化交付平台实现多方云协同，进行无间断、高效率的数字化碳管理等运维工作。数字化交付工作将根据实际运维补充模型、数据，包括根据业主提供的施工结果完善现场的控制器、屏柜等内容，还可根据不同部门的管理习惯，定制模型分解结构，指导生产操作，实现数字化减排降碳的目标。

　　面对制浆造纸巨大的发展前景和“双碳”目标的挑战，某公司作为工程行业龙头企业已经在优化能源结构、生产端和排放端均提出先进的降碳减排措施并加以应用，并从智慧工厂的角度，启动研究利用数字化技术，实时监控各类数据，通过数字化全过程运维，实现减排降碳的目标，这也将是工程行业助力制浆造纸行业绿色建造与可持续发展的创新路径。在“双碳”目标的顶层设计下，工程行业积极、提前布局，加大技术、研发投入，通过不断的技术创新，为制浆造纸企业的高质量可持续发展注入绿色新动能，从而推动制浆造纸行业转型升级以适应更新的发展机遇。