“雙碳”目標(biāo)下工程行業(yè)助力制漿造紙行業(yè)綠色建造與可持續(xù)發(fā)展

張 志 張恒來(lái) 章慧群

（中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司，上海，200031）

我國(guó)是紙漿消費(fèi)大國(guó)，且隨著國(guó)內(nèi)疫情得到有效控制，宏觀經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，造紙行業(yè)的需求也在不斷擴(kuò)大。2018年我國(guó)人均生活用紙消費(fèi)量6.4 kg，2019年達(dá)6.9 kg，預(yù)計(jì)2022年有望突破8 kg。與此同時(shí)，瑞典、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的人均生活用紙消費(fèi)量已達(dá)20 kg以上，日本、韓國(guó)人均生活用紙消費(fèi)量達(dá)15 kg以上，說(shuō)明我國(guó)生活用紙人均消費(fèi)量與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有2～3倍成長(zhǎng)空間。

此外，“限塑令”的實(shí)施也為造紙行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。2020年，上海、浙江、江蘇、云南、貴州等地均發(fā)布了關(guān)于加強(qiáng)塑料污染治理的相關(guān)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。隨著“限塑令”的實(shí)施，“以紙代塑”市場(chǎng)真正被打開。

為滿足紙漿市場(chǎng)需求，制漿造紙行業(yè)將不斷擴(kuò)大生產(chǎn)，進(jìn)而加大對(duì)能源的投入使用。傳統(tǒng)造紙企業(yè)是以煤為主要能源的高耗能產(chǎn)業(yè)，與我國(guó)追求的綠色經(jīng)濟(jì)、“雙碳”目標(biāo)相悖。因此，如何采取強(qiáng)有力的碳減排措施，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的低碳化，是制漿造紙行業(yè)助力國(guó)家落實(shí)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵。

為實(shí)現(xiàn)造紙行業(yè)的碳達(dá)峰、碳中和，國(guó)家發(fā)布多項(xiàng)政策，從宏觀角度提出要求，如加快造紙行業(yè)改造升級(jí)，完善綠色建造體系；規(guī)定2025年是禁止、限制使用塑料制品的最后期限，“以紙代塑”為傳統(tǒng)造紙業(yè)帶來(lái)新機(jī)遇；鼓勵(lì)高車速、大幅寬的新型造紙機(jī)以及循環(huán)、低碳技術(shù)的引用等，行業(yè)節(jié)能和綠色改造是一致認(rèn)同的建設(shè)目標(biāo)。

因此，本文從工程行業(yè)角度出發(fā)探討制漿造紙企業(yè)應(yīng)對(duì)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，綠色建造的重要性，應(yīng)當(dāng)采取何種關(guān)鍵性的碳減排措施、調(diào)整高碳能源結(jié)構(gòu)，以及未來(lái)數(shù)字化、智慧化工廠的建設(shè)趨勢(shì)，希望能給制漿造紙行業(yè)讀者們帶來(lái)一定的啟示，思考采用新技術(shù)、新模式，抓住國(guó)內(nèi)不斷攀升的造紙市場(chǎng)與“雙碳”目標(biāo)帶來(lái)的新的發(fā)展機(jī)遇。

1 綠色建造與“雙碳”目標(biāo)

國(guó)家在十四五發(fā)展規(guī)劃及“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)中對(duì)造紙行業(yè)的發(fā)展方向提出以下關(guān)鍵詞：綠色低碳發(fā)展、降低碳排放強(qiáng)度、智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系和高質(zhì)量發(fā)展等。因此，必須從其能源結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的整個(gè)流程予以把關(guān)，實(shí)現(xiàn)每一環(huán)節(jié)的低排放、綠色生產(chǎn)。工程行業(yè)能很好地實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的管控，從綠色建造出發(fā)，將“雙碳”目標(biāo)完全融入咨詢、設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、施工、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程。

2021年3月，《綠色建造技術(shù)導(dǎo)則（試行）》中指出綠色建造是指按照綠色發(fā)展的要求，通過(guò)科學(xué)管理和技術(shù)創(chuàng)新，采用有利于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少排放、提高效率、保障品質(zhì)的建造方式，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的工程建造活動(dòng)。綠色建造應(yīng)將綠色發(fā)展理念融入工程策劃、設(shè)計(jì)、施工、交付的建造全過(guò)程，充分體現(xiàn)綠色化、工業(yè)化、信息化、集約化和產(chǎn)業(yè)化的總體特征。

“雙碳”目標(biāo)包括“碳達(dá)峰”“碳中和”2類內(nèi)容：“碳達(dá)峰”是指在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，二氧化碳的排放不再增長(zhǎng)達(dá)到峰值，之后逐步回落；“碳中和”是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人測(cè)算在一定時(shí)間內(nèi)，直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，通過(guò)植樹造林、節(jié)能減排等形式，抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的“零排放”，兩者能讓二氧化碳排放量得以“收支相抵”。

綠色建造將“雙碳”目標(biāo)落實(shí)于綠色策劃、綠色設(shè)計(jì)、綠色建材、綠色施工、智慧工地、綠色交付、建筑信息模型等工程服務(wù)過(guò)程。聚焦于制漿造紙行業(yè)的“雙碳”目標(biāo)，綠色建造主要從能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整入手（綠色策劃），推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與突破（綠色設(shè)計(jì)），利用數(shù)字化對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行管理（綠色交付、建筑信息模型），嚴(yán)格從“能源端—生產(chǎn)端—排放端—運(yùn)維端”全過(guò)程管控碳排放。

2 工程行業(yè)助力制漿造紙行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色建造

2.1 調(diào)整能源結(jié)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，制漿造紙行業(yè)碳排放量約為1億t/a，約占全國(guó)總排放量的1%，大部分來(lái)自化石燃料燃燒，以高碳含量的煤為主。因此，實(shí)現(xiàn)綠色建造的首要問(wèn)題在于調(diào)整傳統(tǒng)造紙業(yè)高耗能的能源結(jié)構(gòu)，包括優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系、提高利用效能和利用可再生能源進(jìn)行替代。本文以某公司在優(yōu)化造紙行業(yè)能源結(jié)構(gòu)上的探索與成效為例進(jìn)行論述。

林漿紙一體化循環(huán)發(fā)展，是世界發(fā)達(dá)國(guó)家造紙工業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，即在市場(chǎng)機(jī)制的促使下，將原來(lái)分離的林、漿、紙3個(gè)環(huán)節(jié)整合在一起，讓造紙企業(yè)負(fù)擔(dān)起造林的責(zé)任，自行解決木材原料問(wèn)題，發(fā)展生態(tài)造紙，形成“以紙養(yǎng)林、以林促紙”的產(chǎn)業(yè)格局，促進(jìn)造紙企業(yè)永續(xù)經(jīng)營(yíng)和造紙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

20 世紀(jì)90年代，某公司開始為國(guó)際一流造紙企業(yè)提供林漿紙一體化項(xiàng)目的咨詢與設(shè)計(jì)服務(wù)，選用先進(jìn)的工藝流程及國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先設(shè)備，從而節(jié)約能源和資源，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、綠色管理、污染可治理等目標(biāo)。在工程中，該公司多選擇竹為原材料，造紙行業(yè)對(duì)生產(chǎn)用料的大量需求，也會(huì)促進(jìn)竹林的種植面積不斷擴(kuò)大，可有效提高竹林碳儲(chǔ)量，起到很好的生物固碳效果。

解決能源用料端的措施還包括能源重復(fù)利用及可再生能源的替代。該公司優(yōu)先采用優(yōu)化堿回收、熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，對(duì)制漿造紙廠進(jìn)行改造。如在堿法制漿時(shí)，將其中的化學(xué)藥品和熱能回收、再利用，實(shí)現(xiàn)能源的重復(fù)使用；根據(jù)生產(chǎn)所需的蒸汽配備自備電站，以熱定電，提高能源利用率；開發(fā)光伏、風(fēng)能等新能源技術(shù)應(yīng)用等。通過(guò)采用生物質(zhì)原料和可再生能源、優(yōu)化堿回收、熱電聯(lián)產(chǎn)等方式調(diào)整制漿造紙工業(yè)以煤為主的能源用料結(jié)構(gòu)。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新與突破

2.2.1 生產(chǎn)端

造紙工業(yè)的“節(jié)能減排”目標(biāo)，除國(guó)家政策的指導(dǎo)，更需企業(yè)采取實(shí)際行動(dòng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)與創(chuàng)新，改變現(xiàn)有高排放、高污染的生產(chǎn)現(xiàn)狀。

由該公司設(shè)計(jì)的某大型新建竹漿廠為提高資源綜合利用水平，充分利用黑液、廢渣、污泥、生物質(zhì)氣體等典型生物質(zhì)能源，提高熱電聯(lián)產(chǎn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的余壓、余熱等能源利用率，以及對(duì)廢氣、廢液以及其他廢棄物進(jìn)行回收利用的能力，最大限度實(shí)現(xiàn)資源化，如圖1所示。

該公司設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)配置以國(guó)產(chǎn)設(shè)備為主，關(guān)鍵部位引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備，并注重對(duì)已有環(huán)保設(shè)施的完善，嚴(yán)控系統(tǒng)排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)一系列清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排措施，各類實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)（如主要公用工程消耗定額、污水（液）、廢氣、廢渣排放量及排放指標(biāo)）均達(dá)到并趕超國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，大幅度降低了制漿造紙的綜合能耗。

圖1 竹漿廠資源化應(yīng)用示意圖Fig.1 Schematic diagram of resource utilization in bamboo pulp mill

蒸煮技術(shù)同樣需要進(jìn)行技術(shù)革新?，F(xiàn)代制漿蒸煮技術(shù)主要分為間歇蒸煮和連續(xù)蒸煮。傳統(tǒng)的間歇蒸煮具有生產(chǎn)靈活、機(jī)械可靠性較好和投資低等優(yōu)勢(shì)[1]。連續(xù)蒸煮能耗低、紙漿質(zhì)量穩(wěn)定、污染少。目前該公司在各個(gè)制漿造紙項(xiàng)目中，依情況本土化蒸煮技術(shù)，主要有橫貫連續(xù)蒸煮技術(shù)、超級(jí)間歇置換蒸煮系統(tǒng)、塔式連續(xù)置換蒸煮技術(shù)，達(dá)到了良好的降碳減排效果。

該公司承接的制漿造紙工廠漂白漿漂白工段如圖2 所示。通過(guò)無(wú)元素氯（ECF）漂白實(shí)現(xiàn)降低用水量和污水排放量的目標(biāo)，大幅度減少漂白廢水中的總活性鹵素和總氯代酚等有毒物質(zhì)。

為保證工廠的低碳、清潔生產(chǎn)，需要對(duì)電能消耗及生產(chǎn)中產(chǎn)生的能源利用進(jìn)行改造升級(jí)及產(chǎn)能提高，對(duì)工廠進(jìn)行節(jié)電改造，解決車間耗電較高的問(wèn)題。該公司在工程設(shè)計(jì)中優(yōu)化或減少工藝設(shè)備，如通過(guò)切削或更換離心泵葉輪，使泵在高效率區(qū)運(yùn)行；通過(guò)使用變頻電機(jī)，優(yōu)化變壓器荷載及供配電線路等。某項(xiàng)目中，該公司對(duì)40 余項(xiàng)泵的流量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，修改管道，停泵、換泵及切割葉輪，大幅度降低了間接煤炭發(fā)電的能耗，耗電量從5412 kW 降低至4838 kW，實(shí)現(xiàn)總節(jié)電3597 kW。

2.2.2 排放端

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)污水處理廠電耗占全國(guó)總電耗的0.26%，加上工業(yè)廢水處理電耗和污泥處理電耗，所占比例超過(guò)2%[3]。傳統(tǒng)污水處理，使用大量電能用于排水，間接產(chǎn)生大量二氧化碳排放，對(duì)全球生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。因此，為了減少碳排放，降低污水處理能耗是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必行之路。

圖2 ECF漂白流程圖[2]Fig.2 Schematic diagram of ECF bleaching process[2]

在制漿造紙行業(yè)的廢水處理中，該公司設(shè)計(jì)時(shí)以“中水回用”的方式將制漿造紙廢水全部回收利用，通過(guò)開源實(shí)現(xiàn)能量自給，從根本上解決綠色低碳發(fā)展問(wèn)題。該項(xiàng)目中水循環(huán)回用技術(shù)，利用沼氣實(shí)現(xiàn)能源替代。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的污水處理工藝，可以有效回收有機(jī)物能量，利用沼氣熱聯(lián)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)“碳中和”。此外，這一技術(shù)處理后的工業(yè)廢水回用率達(dá)98%；每年實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水約2000 萬(wàn)t，減少向水體中排放COD、BOD 分別為1500 t 和400 t，最大限度避免污水碳源流失，減少甚至無(wú)需補(bǔ)充反硝化的外加碳源，實(shí)現(xiàn)處理過(guò)程中的碳平衡。

2.3 “以紙代塑”

2021年，我國(guó)將“限塑令”升級(jí)為“禁塑令”，可再生、代塑包裝成為了食品、外賣等多行業(yè)的熱門話題。

該公司致力于數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)化管理應(yīng)用于紙膜成型工段。以其總承包的某綠色環(huán)保紙漿模塑新材料智能工廠項(xiàng)目為例，一方面創(chuàng)新研發(fā)傳統(tǒng)塑料包裝的替代品——紙漿模塑包裝產(chǎn)品；另一方面融入先進(jìn)的BIM 智慧制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠設(shè)計(jì)、建造、生產(chǎn)、運(yùn)維等一系列服務(wù)環(huán)節(jié)的智能管理。

該項(xiàng)目選擇生長(zhǎng)快、復(fù)合率高的竹漿、蔗渣漿等天然植物，節(jié)省了大量木材，貫徹林漿紙一體化。同時(shí)，在紙膜成型工段應(yīng)用傳感識(shí)別、人機(jī)智能交互、智能控制技術(shù)和裝備，促進(jìn)車間計(jì)劃排產(chǎn)、加工裝配、檢驗(yàn)檢測(cè)等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能協(xié)作與聯(lián)動(dòng)，并在整個(gè)工廠的運(yùn)維接入制造執(zhí)行系統(tǒng)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）等系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)全流程動(dòng)態(tài)智能管控。

具體降碳減排方式和成效如下。

（1）降低模塑生產(chǎn)工藝中氮氧化物氣體排出量

導(dǎo)熱油爐采用低氮型燃燒器，煙氣出口設(shè)置空氣預(yù)熱器，采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)降低煙氣中氮氧化物濃度，鍋爐房排煙溫度小于170℃，氮氧化物濃度小于30 mg/m3。

（2）固廢回收

模塑領(lǐng)域固廢主要包括廢盤紙、廢包裝材料、生活垃圾等。廢盤紙送車間損紙系統(tǒng)；廢包裝材料收集后外賣；生活垃圾集中收集后委托環(huán)衛(wèi)部門處理。

（3）采用智能化設(shè)計(jì)，降低人工運(yùn)維成本

通過(guò)分散控制系統(tǒng)和生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)的結(jié)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)物流、檢測(cè)、倉(cāng)儲(chǔ)無(wú)人化操作，制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃排程管理、生產(chǎn)調(diào)度管理進(jìn)行數(shù)字化管控。利用數(shù)據(jù)化對(duì)工廠進(jìn)行管理后，用工人數(shù)減少近50%。數(shù)字化管理界面及成效如圖3所示。

2.4 智慧工廠

制漿造紙行業(yè)同樣可以利用數(shù)字化技術(shù)，全流程管控碳排放、追蹤碳痕跡，實(shí)現(xiàn)24 h無(wú)間斷、全流程的碳管理，彌補(bǔ)人工運(yùn)維的不足。圖4為制漿造紙行業(yè)數(shù)字化交付示意圖。

工業(yè)鍋爐系統(tǒng)數(shù)字孿生示意圖如圖5 所示。制漿造紙行業(yè)數(shù)字化“雙碳”管理，可通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期。其中，數(shù)字孿生技術(shù)除數(shù)字化的仿真運(yùn)維并作用于實(shí)體進(jìn)行實(shí)際運(yùn)維外，還可在廠房及生產(chǎn)線建造前完成數(shù)字化模型，從而在虛擬的賽博空間中對(duì)工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)。而廠房和生產(chǎn)線建成后，在日常的運(yùn)維中二者可繼續(xù)進(jìn)行信息交互。

圖3 “以紙代塑”智慧工廠的數(shù)字化管理界面及成效Fig.3 Digital management interface and effect of"replace plastic with paper"smart factory

圖4 制漿造紙行業(yè)數(shù)字化交付示意圖Fig.4 Schematic diagram of digital delivery in the pulp and paper industry

圖5 工業(yè)鍋爐系統(tǒng)數(shù)字孿生示意圖[4]Fig.5 Schematic diagram of digital twin of industrial boiler system[4]

傳統(tǒng)工程服務(wù)中采用“割裂式”的移交模式，即只負(fù)責(zé)前期的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工及調(diào)試等工程服務(wù)，工廠或項(xiàng)目移交后，將不再負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)的工作，這將導(dǎo)致無(wú)法快速精準(zhǔn)地實(shí)施生命運(yùn)維期能耗的碳管理。制漿造紙行業(yè)利用數(shù)字化技術(shù)，將傳統(tǒng)的移交模式改為“累進(jìn)式”移交。工程服務(wù)方、業(yè)主需求方通過(guò)數(shù)字化交付平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多方云協(xié)同，進(jìn)行無(wú)間斷、高效率的數(shù)字化碳管理等運(yùn)維工作。數(shù)字化交付工作將根據(jù)實(shí)際運(yùn)維補(bǔ)充模型、數(shù)據(jù)，包括根據(jù)業(yè)主提供的施工結(jié)果完善現(xiàn)場(chǎng)的控制器、屏柜等內(nèi)容，還可根據(jù)不同部門的管理習(xí)慣，定制模型分解結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)生產(chǎn)操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化減排降碳的目標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

面對(duì)制漿造紙巨大的發(fā)展前景和“雙碳”目標(biāo)的挑戰(zhàn)，某公司作為工程行業(yè)龍頭企業(yè)已經(jīng)在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)端和排放端均提出先進(jìn)的降碳減排措施并加以應(yīng)用，并從智慧工廠的角度，啟動(dòng)研究利用數(shù)字化技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各類數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字化全過(guò)程運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)減排降碳的目標(biāo)，這也將是工程行業(yè)助力制漿造紙行業(yè)綠色建造與可持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新路徑。在“雙碳”目標(biāo)的頂層設(shè)計(jì)下，工程行業(yè)積極、提前布局，加大技術(shù)、研發(fā)投入，通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新，為制漿造紙企業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展注入綠色新動(dòng)能，從而推動(dòng)制漿造紙行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)以適應(yīng)更新的發(fā)展機(jī)遇。