【造纸】造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南.pdf

造纸行业国际能效及脱碳技术 最佳实践指南 中德重点用能行业能效技术指南系列一 1 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 研究团队 编写专家 Nushin Shahri, Thomas Eisenhut, Manuela Farghadan Helmut Berger（协调） ALLPLAN GmbH 致谢 感谢中国制浆造纸研究院温建宇工程师对本指南中文专业术语翻译的校对！ 地址 北京市朝阳区亮马河南路14号塔园外交办公楼2-5 邮编：100600 c/o 德国国际合作机构 Torsten Fritsche Köthener Str. 2 柏林10963 图片来源 Shutterstock\ Jose Luis Stephens（封面） Shutterstock\ NEFLO PHOTO（第9 页） Shutterstock\ seeshooteatrepeat （第13页） Shutterstock\ hxdyl（第19页） Shutterstock\ SocoXbreed （第29页） Shutterstock\ Hannu Rama （第72页） © 北京，2021年 7月 编写说明 《造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南》是重点用能行业能效技 术指南系列出版物的第一本，旨在借鉴德国及国际最佳实践，为包括公共建 筑设施（如机场）、造纸、水泥、陶瓷和玻璃纤维行业提供能效与脱碳技术 分析与经验分享。本报告在中德重点用能单位节能诊断示范项目二期框架下 编写和发布。项目受德国联邦经济和能源部（ BMWi）委托和资助，由德国 国际合作机构（ GIZ）实施，旨在为重点用能单位开展节能诊断，挖掘节能潜 力，提出能效措施，提供最佳实践，同时加强中德企业间交流，助力重点用 能单位提高能效、减少碳排放。本研究也得到“支持江苏省低碳发展项目（三 期）”（在德国联邦环境部资助下，由 GIZ 和江苏省生态环境厅共同实施） 和“中德能源与能效合作伙伴项目”的支持。 本报告全文受版权保护。截至本研究报告发布前，德国国际合作机构和相关作者对出版物中所涉及的数 据和信息进行了仔细研究与核对，但不对其中所涉及内容及评论的正确性和完整性做任何形式的保证。本出 版物中涉及到的外部网站发行方将对其网站相关内容负责，德国国际合作机构不对其内容承担任何责任。 德国国际合作机构 尹玉霞、Maximilian Ryssel（胡天）、王一惠 2 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 ◆ 1 执行摘要 9 ◆ 2 工业部门能源效率概述 13 2.1 能源消耗与能源效率现状 14 2.2 能效政策与管理 17 2.3 能效措施概览 18 ◆ 3 制浆造纸行业概览 19 3.1 制浆造纸生产流程与工艺步骤简介 20 3.2 制浆造纸行业节能现状及发展趋势 25 3.2.1 制浆造纸行业能源统计与基准 25 3.2.2 能量流向 27 3.2.3 能源密集型工艺流程 28 ◆ 4 制浆造纸行业能效提升措施 29 4.1 间歇式蒸煮器改善 30 4.1.1 基线情况和能耗说明 30 4.1.2 建议改进措施 30 4.1.3 潜在节能量和温室气体减排量 33 4.2 石灰窑改造 34 4.2.1 基线情况和能耗说明 34 4.2.2 建议改进措施 35 4.2.3 潜在节能量和温室气体减排量 36 4.3 黑液蒸发器 37 4.3.1 基线情况和能耗说明 37 4.3.2 建议改进措施 37 4.3.3 潜在节能量和温室气体减排量 38 4.4 磨浆机改善 39 4.4.1 基线情况和能耗说明 39 4.4.2 建议改进措施 39 4.4.3 潜在节能量和温室气体减排量 40 4.5 余热回收 41 4.5.1 基线情况和能耗说明 41 4.5.2 建议改进措施 42 4.5.3 潜在节能量和温室气体减排量 44 4.6 靴式压榨 45 4.6.1 基线情况和能耗说明 45 4.6.2 建议改进措施 45 4.6.3 潜在节能量和温室气体减排量 47 4.7 干燥棒与固定式虹吸器 48 4.7.1 基线情况和能耗说明 48 4.7.2 建议改进措施 49 4.7.3 潜在节能量和温室气体减排量 50 目录 3 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 4.8 蒸汽疏水阀维护 51 4.8.1 基线情况和能耗说明 51 4.8.2 建议改进措施 52 4.8.3 潜在节能量和温室气体减排量 52 4.9 实时能源管理系统 53 4.9.1 基线情况和能耗说明 53 4.9.2 建议改进措施 53 4.9.3 潜在节能量和温室气体减排量 54 4.10 泵、风机、压缩机适用的高能效变频器 55 4.10.1 基线情况和能耗说明 55 4.10.2 建议改进措施 55 4.10.3 潜在节能量和温室气体减排量 56 4.11 利用余热干燥生物燃料和污泥 57 4.11.1 基线情况和能耗说明 57 4.11.2 建议改进措施 57 4.11.3 潜在节能量和温室气体减排量 58 4.12 废弃物焚烧（使用污泥和废渣） 59 4.12.1 基线情况和能耗说明 59 4.12.2 建议改进措施 59 4.12.3 潜在节能量和温室气体减排量 61 4.13 污水处理制得沼气 62 4.13.1 基线情况和能耗说明 62 4.13.2 建议改进措施 62 4.13.3 潜在节能量和温室气体减排量 64 4.14 热电联产 65 4.14.1 基线情况和能耗说明 65 4.14.2 建议改进措施 65 4.14.3 潜在节能量和温室气体减排量 66 4.15 未来发展展望 69 4.15.1 数字孪生体 69 4.15.2 生物精炼厂 70 ◆ 5 结语 72 ◆ 6 参考文献 76 4 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 图 1: 终端能源消费总量结构配比 14 图 2: 工业部门终端能源消费结构 15 图 3: 欧盟工业部门能源效率指数 15 图 4: 德国工业部门能源效率指数 16 图 5: 制浆造纸工艺流程图 20 图 6: 硫酸盐法制浆厂核心工艺流程概览 21 图 7: 蒸煮器 23 图 8: 制备脱墨（再生利用）纸品 23 图 9: 新闻纸加工厂生产理念流程图 24 图 10: 造纸机 24 图 11: 欧洲纸张产量数据 25 图 12: 欧洲制浆造纸行业单位能耗，单位：吨油当量 / 吨 25 图 13: 部分欧洲国家制浆造纸行业单位能耗，单位：吨油当量 / 吨 26 图 14: 能量与物质流向 27 图 15: 相关工艺步骤能源消耗情况 28 图 16: 间歇式蒸煮器基础构造 31 图 17: 冷吹技术说明 32 图 18: 纸浆生产过程示意图——回转窑 34 图 19: 左图：石灰燃烧窑外观，右图：石灰燃烧窑内部结构 34 图 20: 普通石灰窑燃烧火焰曲线与富氧技术火焰曲线 35 图 21: 石灰回转窑耐火材料系统 35 图 22: 制浆工序流程示意图——蒸发器 37 图 23: 磨浆机示意图 39 图 24: 造纸机结构——干燥部 41 图 25: 造纸机纸张干燥部示意图 41 图 26: 热力压缩机示意图 43 图 27: 干燥机汽罩风力系统 43 图 28: 造纸机结构——压榨部 45 图 29: 左图：传统压榨技术图示，右图：薄纸机压榨区 45 图 30: 将传统压榨机改造为靴式压榨机 46 图目录 5 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 图 31: 传统（辊式）压榨机和靴式压榨机曲线对比说明。曲线下方区域即压榨冲力 （ 1 磅 / 平方英寸 = 6.9 千牛 / 平方米） 46 图 32: 造纸机结构——干燥部 48 图 33: 干燥缸内冷凝液的四种状态 48 图 34: 干燥缸用虹吸器主要 类型，旋转式（左）或固定式（右）虹吸器将冷凝液 从烘缸壳体内吸出 49 图 35: 烘缸和固定式虹吸器，左图：不带扰流棒——右图：带扰流棒 49 图 36: 可拆卸保温垫 52 图 37: 通过使用节流阀来控制泵流量 55 图 38: 恒速泵与变频驱动泵功率曲线比较 56 图 39: 废弃物焚烧工序 49 图 40: 焚烧厂流程图 60 图 41: 污水处理场所示意图及制浆造纸厂污泥术语 62 图 42: 制浆造纸厂的污水处理场所及厌氧消化示意图 63 图 43: EffiSludge 概念 63 图 44: 传统发电与热电联产损失对比图 65 图 45: 制浆 / 造纸厂的热电联产机组实例 66 图 46: 烘缸和固定式虹吸器 70 6 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 表目录 表 1: 措施概览 11 表 2: 节能减排成效概览 12 表 3: 产品基准示例 26 表 4: 制浆造纸工艺流程能效提升措施 30 表 5: 措施的关键信息——间歇式蒸煮器改善 33 表 6: 措施的关键信息——石灰窑富氧燃烧 36 表 7: 措施的关键信息——石灰窑改造、高性能耐火材料 36 表 8: 措施的关键信息——黑液蒸发器 38 表 9: 按成品划分的典型耗电量 39 表 10: 硬木盘磨机（300 绝干吨 / 天）成本计算 40 表 11: 措施的关键信息——高效率磨浆机 40 表 12: 日产 667 吨造纸机热回收及热损耗示例 42 表 13: 措施的关键信息——余热回收、径流式风机 44 表 14: 措施的关键信息——余热回收、热力压缩机 44 表 15: 措施的关键信息——余热回收、纸机汽罩 44 表 16: 措施的关键信息——靴式压榨 47 表 17: 措施的关键信息——固定式虹吸管与干燥棒 50 表 18: 现有蒸汽疏水阀类型及其特性 51 表 19: 措施的关键信息——蒸汽疏水阀维护 52 表 20: 控制系统和典型的能效提升潜力 54 表 21: 措施的关键信息——实时能源管理系统 54 表 22: 措施的关键信息——泵、风机、压缩机适用的高能效变频器 56 表 23: 措施的关键信息——利用余热干燥生物燃料和污泥 58 表 24: 措施的关键信息——废弃物焚烧 61 表 25: 措施的关键信息——污水处理制得沼气 64 表 26: 德国某燃气轮机联合循环发电厂与某公用事业公司的环境绩效比较 67 表 27: 根据规模和技术计算出的 2010 年基本建设投资 69 表 28: 措施的关键信息——热电联产 69 表 29: 主要事实概述 73 7 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 缩略语表 AD 厌氧消化 ASP 活性污泥工艺 ASTEPP 先进造纸工业传感技术 BAT 最佳可行技术 BLGCC 黑液气化联合循环系统 BREF 最佳可行技术参考文件 CBG 压缩沼气 CCGT 燃气轮机联合循环发电机组 CHP 热电联产 CMP 化学机械浆 CNCG 浓缩不凝性气体 CO 2 -eq 二氧化碳当量 COD 化学需氧量 CTMP 化学热磨机械浆 DIP 脱墨纸浆 DME 二甲醚 DS 干固形物 EEA 欧洲环境署 EFB 空果串 ETS 碳排放交易体系 EU 欧盟 GHG 温室气体 GJ 吉焦 GJ/ADt 吉焦 / 风干吨 GT 燃气轮机 GW 磨木浆 HRSG 热回收蒸汽发生器 IC 内部循环 IEA 国际能源署 IGES 全球环境战略研究所 IPI 工业生产指数 ISO 国际标准化组织 8 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 JRC 欧盟委员会联合研究中心 kWh 千瓦时 kWh/ADt 千瓦时 / 风干吨 kWh/kg 千瓦时 / 千克 LBG 液化沼气 LP 低压 mm 毫米 MP 中压 Mt 百万吨 MW 兆瓦 MWh 兆瓦时 NCASI 国家空气与河流改善委员会 NGO 非政府组织 O&M 运行维护 ODEX 能源效率指数 PGW 压力磨木浆 RAS 回流活性污泥 RCF 再生纤维 RMP 盘磨机械浆 SCOD 溶解性化学需氧量 t/d 吨 / 日 t/h 吨 / 小时 t/yr 吨 / 年 TFC 终端能源消费总量 TMP 热磨机械浆 UASB 上流式厌氧污泥床 UNEP 联合国环境规划署 VFD 变频器 WAS 废弃活性污泥 WWT 污水处理 1 执行摘要 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 10 提高工业部门能源效率是降低能源消费总量、减少温室气体排放十分有效的手段。具体来说包括以下原因： ●   工业部门能源消费占终端能源消费总量比例较高，世界平均水平为 28.6%，（国际能源署， 2018）中国 为 50.4%（电热当量计算法，中国能源统计年鉴 2019）； ● 工业部门能源消费结构中， 化石燃料占比普遍较高，世界平均水平石油产品占 10%，天然气占 20%，煤 炭占近 30%，（国际能源署， 2018）中国石油消费比重占 20.4%，天然气占 8.3%，煤炭占 63.9%（电 热当量计算法，中国能源统计年鉴 2019）； ●  工业部门涉及行为主体相对较少，相比其他行业部门更能发挥可观的杠杆效应，甚至单家工厂实施能效提 升措施即可节约大量能源。 ● 目前工业部门仍具有巨大 能效潜力有待深挖。 ● 提升工业能效带来诸多附加效益，包括行业竞争力提升、生产运行更加平稳可靠（减少停机时间），以及 包括水、大气、土壤、原料在内的综合资源配置显著优化。 在欧洲，一套成功的能效措施应包括：应用基准值法对比 最佳可行技术（ Best Available Technologies, BAT）） 批准设备或新建项目，以及确定 欧盟碳排放交易体系中的免费配额占比参考值。自 2005 年起，欧盟碳排 放交易体系依照总量控制与交易原则正式启动运行，目前覆盖发电、工业和航空部门在内的 1.1 万家用能大户，涉 及碳排放约占参与国家碳排放总量的 40%。初步研究显示，欧盟碳市场有力地推动了欧盟国家总体减排— 2005 至 2019 年间，欧盟二氧化碳排放量下降约 35%。为实现《欧洲绿色协议》（ European Green Deal）所规定 到 2030 年减少温室气体排放至少 55% 的目标，包括工业在内的各个部门仍需继续努力。为持续提升工业能效水 平，欧盟还要求大型企业每四年执行一次外部能源审计，或者按照 欧盟能源效率指令（ Energy Efficiency Di- rective）） （ 202/27/EU 号指令及其 2018 年修订）的规定实施能源或环境管理体系认证。 提高能效的措施既包括完善企业内部能源管理、使用控制管理系统等“简易”措施，也包括更换新设备、整 合工艺流程及升级新工艺等。本指南主要针对 制浆造纸行业相关的能效措施，主要考虑其可实现的节能潜力、对 中国的适用性及有效性（投资措施的成本效益比率）。相关数据来自国内外科研工作成果，同时参考专家的经验 预测。 欧洲造纸厂的每吨纸品 单位能耗从 1.5 兆瓦时到 6.6 兆瓦时不等，表明单厂层面仍有节能提效空间。但近年来， 总体平均单位产品能耗水平较为稳定并基本保持在约 3 兆瓦时。《制浆造纸行业节能——重点用能行业能效技术 指南》（以下简称《指南》）主要关注制浆和造纸两大生产加工流程，并提供相关供能选择方案。制浆工序一般 通过机械或化学法制得原浆，或由回收的废纸经过碎解、筛选、脱墨及漂白（可选）等附加环节加工形成废纸浆。 造纸工序则包括流浆箱、网部（成形、脱水）、压榨、干燥等步骤，一定情况下根据纸品类别，还需要进行压光 等其他处理。 其中对 能耗影响最大的工艺流程包括： ● 压榨及干燥 ●   不可回收纸品的精炼和盘磨 ● 再生纤维纸张 / 纸巾的筛选及脱墨处理 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 11 下表罗列了公认具有较高能效提升和应用推广潜力的措施，《指南》在接下来章节将对其进行详细介绍。 措施概览 章节措施工艺 4.1 间歇式蒸煮器改善 化学制浆 4.2 石灰窑改造 富氧燃烧 化学回收 高性能耐火材料 化学回收 4.3 黑液蒸发器 化学回收 4.4 高效率磨浆机 机械制浆 4.5 余热回收 径流式风机 造纸 热力压缩机 造纸 纸机汽罩 造纸 4.6 靴式压榨 造纸 4.7 固定式虹吸管与干燥棒 造纸 4.8 蒸汽疏水阀维护 蒸汽系统 4.9 实时能源管理系统 所有工艺 4.10 泵、风机、压缩机适用的高能效变频器 所有工艺 4.11 利用余热干燥生物燃料和污泥 化学回收 4.12 废弃物焚烧 化学回收 4.13 污水处理制得沼气 化学回收 4.14 热电联产 化学回收 根据实践应用经验，改造 磨浆机和 纸机汽罩对于大多造纸企业节能降耗的成效尤为显著。此外，靴式压榨和 变频驱动也可作为优先考虑措施，尚未采用这两项能效技术的造纸厂应优先考虑投入使用。对于综合性造纸厂（浆 纸一体化综合工厂），应考虑改造间歇式蒸煮器、应用石灰窑富氧燃烧，并使用高性能耐火材料和黑液蒸发器。 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 12 尽管各项措施的实际投资成本与节能效益取决于造纸企业现有产品类型与能耗现状，但根据相关文献与实践 经验能够识别出以下节能潜力： 节能减排成效概览 章节措施 节能二氧化碳减排量 热能电能数值（取整）单位数值单位 4.1 间歇式蒸煮器改善 × × 350 千瓦时 / 吨 纸浆 137 千克二氧化碳 / 吨 纸浆 4.2 石灰窑富氧燃烧 × × 30 千瓦时 / 吨 纸浆 13 千克二氧化碳 / 吨 纸浆 石灰窑高性能耐火材料 × × 20 千瓦时 / 吨 纸浆 7 千克二氧化碳 / 吨 纸浆 4.3 黑液蒸发器 × - 60 千瓦时 / 吨 黑液 23 千克二氧化碳 / 吨 黑液 4.4 磨浆机改善 - × 20 千瓦时 / 吨 纸 12 千克二氧化碳 / 吨 纸 4.5 径流式风机 × - 30 千瓦时 / 吨 纸 12 千克二氧化碳 / 吨 纸 热力压缩机 × - 25 千瓦时 / 吨 纸 10 千克二氧化碳 / 吨 纸 纸机汽罩 × - 200 千瓦时 / 吨 纸 78 千克二氧化碳 / 吨 纸 4.6 靴式压榨 × - 180 千瓦时 / 吨 纸 70 千克二氧化碳 / 吨 纸 4.7 固定式虹吸管与干燥棒 × - 250 千瓦时 / 吨 纸 98 千克二氧化碳 / 吨 纸 4.8 蒸汽疏水阀维护 × - 500 千瓦时 / 吨 纸 195 千克二氧化碳 / 吨 纸 4.9 能源管理系统 × × 110 千瓦时 / 吨 纸 43 千克二氧化碳 / 吨 纸 4.10 泵、风机、压缩机适用 的高能效变频器 - × 10 千瓦时 / 吨 纸 6 千克二氧化碳 / 吨 纸 4.11 利用余热干燥生物燃料 和污泥 × - 无法按吨计算 ** 4.12 废弃物焚烧 × - 4.13 污水处理制得沼气 × (×)* 4.14 运用热电联产 × (×)* * 电力生产 ** 由于制浆造纸工厂类型与能源供应基准各不相同，针对能源供应优化措施，无法按同一标准计算得出每吨产品的节能量。 其中对于以下四项措施： ● 利用余热干燥生物燃料和污泥 ● 废弃物焚烧 ● 污水处理制得沼气 ● 运用热电联产 可实现的节能减排量取决于企业自身情况及相关应用，下文对应章节将具体介绍相关决定因素。为进一步挖 掘能源（资源）节约潜力，造纸企业可以超越现有应用技术范畴，运用数字孪生技术优化其理念、设计和运行。此外， 企业也可选择扩大产品范围，进行生物质精炼（Biorefinery）生产供应化学品、原材料、电力和生物燃料。 2 工业部门 能源效率概述 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 14 终端能源消费总量结构配比 欧盟 28 国终端能源消费总量占比（2018 年） J, 23.1% ÔFJJ, 28.5% µGL, 24.2% vJœ¡=Ñ, 12.7% ÌJ/ÇJ, 2.5% $DJ, 0.1% ¦, 0.3% MŽ7-$À+XFD, 8.6% 全球终端能源消费总量占比（2018 年） J, 28.6% ÔFJJ, 29.1% µGL, 21.2% vJœ¡=Ñ, 8.1% ÌJ/ÇJ, 2.2% $DJ, 0.1% ¦, 1.5% MŽ7-$À+XFD, 9.2% 中国终端能源消费总量占比（2018 年） J, 48.3% ÔFJJ, 15.8% µGL, 16.8% vJœ¡=Ñ, 4.6% ÌJ/ÇJ, 2.2% $DJ, 0.0% ¦, 3.7% MŽ7-$À+XFD, 8.6% 资料来源：国际能源署，2018 2.1 能源消耗与能源效率现状 工业部门是全球及中国 主要能源消耗部门之一，如下图所示，工业部门占终端能源消费总量（TFC）比例较高： 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 15 关于工业部门的能源结构，不同国家之间存在较大差异，特别是在煤炭和天然气的应用方面。 工业部门终端能源消费结构 0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% ”&Ý Ï“é .#“é× ñ Y f“D h7- “d+e Nþ7-
ÃZLc7-1y +O(™ óÉ ¼Ï3(™ +eË 7- ˜*3 % !W-28 - % ] - % 资料来源：国际能源署，2018 1 “ ODEX”（能源效率指数）基于部门级别数据（家庭、工业、交通），并加权子部门（或终端用途）具体消耗指数与其在该部门能耗占比。 工业部门能源效率指数根据 14 个分支部门数据计算得出，基于生产每吨钢铁、水泥和纸张所需能耗量及其他分支部门工业生产指数（IPI）。 工业部门实施能效提升措施，可大幅降低能源消费总量、减少温室气体排放。原因在于工业部门规模庞大、 地位重要，而且与其他部门相比，行为主体相对较少。因此，对一家工厂实施节能改造提升能效，就可以实现十 分可观的节能效果。 2007 年以来，欧盟地区工业能源消耗量出现大幅下降。然而，超过一半以上的降幅是由整体经济衰退带来的 工业生产下滑造成的。 过去几年，尽管能效仍在以每年约 1% 的速率 提升 ，但增速仍低于 2000 年初水平。造成 这种情况的部分原因，一是大型设备无法满负荷运行，导致效率偏低，二是部分能源消费属于固定消耗量，与生 产水平无关（弗劳恩霍夫系统与创新研究所 Fraunhofer ISI， 2018）。 衡量总体能效改善情况，可以选用不同的指标体系。比如能源效率指数 1 ，衡量部门一级生产活动所需能源消 耗（以实物量而非财务支出量衡量）。该指标适用欧盟工业部门，如下图所示。 欧盟工业部门能源效率指数 100 90 80 70 60 * È*ö¤¤ 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 F O ñ JÒJñ jàfFP “d# FEÃE–E¶ FP4è 8AÑ 资料来源：Bruno Lapillonne， 2018 可以看出自 2000 年以来，欧盟总体能效水平每年提高约 1.4%（或自 2000 年以来累计提高 17%）。然而 2008 年经济危机爆发之后，能效提升速度有所放缓。以德国为例，受经济危机影响尤为显著： 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 16 据多项研究显示，目前全球范围存在 巨大的能源效率提升潜力 。例如，《联合国环境规划署最佳实践做法与 案例研究分析》（UNEP Best Practices and Case Studies Analysis）（Fawkes， 2016）国际能源署的一项 研究（2007）指出，实施商业化落地、具有成本效益、成熟可靠的能效技术，每年有望节约能源 6-9 亿吨油当 量，减少二氧化碳排放 19-32 亿吨，相当于全球工业部门可节约 18%-26% 能源消耗，二氧化碳减排潜力则高 达 19%-32%。其中，化工、钢铁、水泥、制浆造纸行业节能减排潜力最大。 德国工业部门能源效率指数 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 *ö¤¤È*  7-$Àx)·7 8AÑÄ°_lÅ JÒJñ FP4è 7-$Àx)·7 8AÑÄ?òlÅ 98¢H
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Ž 资料来源：弗劳恩霍夫系统与创新研究所，2018 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 17 2.2 能效政策与管理 2 《工业排放指令》（IED， 2010/75/EU） 3 欧盟成员国、挪威、冰岛 4 继 2015 年签订《巴黎气候协定》之后，欧盟承诺，到 2030 年，整体温室气体排放量比 1990 年至少减少 40%。为实现这一目标，同时为 能源转型铺平道路，欧盟委员会于 2016 年提出更具雄心的能源新规，即《全欧洲人共享清洁能源倡议》（ Clean Energy Package for all Europeans）。 5 2018 年 12 月 11 日，欧洲议会与欧洲理事会关于修订 2012/27/EU 号能源效率指令的 2018/2002 号（欧盟）指令（欧洲经济区适用文本）。 公共政策一般可以分为 “胡萝卜”式 政策（鼓励相关方主动采取行动的激励机制，本文特指使能效提升更具 吸引力的激励政策）和 “大棒”式政策（对未实现相关规定目标的企业进行惩罚），具体政策形式则包括监管措施、 财政 / 金融政策及信息 / 能力建设（ Fawkes， 2016）。欧洲工业部门最重视的能效提升工具措施包括基准值法 对标行业先进能效技术（最佳可行技术）、欧盟碳排放交易体系以及能源审计义务。 根据工厂技术路径、发展规模和日常运营情况，同行业不同工厂在能源消耗、能源效率数据方面存在较大差异。 为便于对比，最行之有效的方法之一是将工厂实际能耗与行业用能基准进行比较，同时衡量其与 最佳可行技术之 间的差距。 以欧洲为例，为落实《欧盟工业排放指令》 2 （ EU Industrial Emission Directive）规定，欧盟出台了各 项参考文件（ BREFs）介绍各个工业子部门的最佳可用技术。此类参考文件不仅涵盖各项技术的能耗表现，还包 含与空气、水和土壤相关的排放与资源利用效率情况，具体内容由行业代表、非政府组织、欧盟成员国与欧盟委 员会共同讨论后，在欧盟综合污染预防与控制局官网（ https://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference）发布。根 据文件规定，新增设备或新建项目必须符合最佳可行技术标准和规定排放水平，既有项目必须在最佳可行技术公 布后四年内完成相关改造。 另一项应用基准值法对标行业先进能效的政策是 2005 年启动运行的 欧盟碳排放交易体系 。这项市场机制旨 在通过总量控制与交易，以最具成本效率的方式减少总体温室气体排放。换言之，纳入欧盟碳排放交易体系的所 有参与方（目前约覆盖 1.1 万用能大户，包括发电站、工厂以及在参与国间运行的航空线路）均受排放总量控制约 束，其碳排放约占参与国碳排放总量的 40% 左右 3 。排放总量控制规定了碳排放交易体系覆盖范围内允许排放的 温室气体总量。企业每年必须清缴“排放配额”，以完全覆盖实际排放量。排放配额通过分配机制向企业发放， 该项机制主要参考各部门历史排放量以及行业前 10% 最优排放水平（基准）。配额盈余或缺口可通过碳市场交易 达到平衡。 初步结果显示，欧盟碳排放交易体系达成了预期目标， 2005 年至 2019 年期间，交易体系 覆盖下的各类设施 减少碳排放量约 35%。为实现更高、更有力的碳定价，欧盟自 2019 年开始实行市场稳定储备机制。随着 《欧洲 绿色协议》 4 的颁布， 到 2030 年到 年 ，欧盟整体温室气体减排目标调整为 减少 55%。其中，提高能源效率是重点领域， 是公认的减少温室气体排放、降低能源成本最简单有效的方法之一。为此，欧盟制定具有约束力的能效提升目标， 即相对于“基准情景”， 到 2030 年能源效率至少提高 32.5%到 。另外，到 2030 年， 可再生能源占比应至少达到 32%（欧盟委员会， 2018， 2020 年 12 月更新）。目前，各方正全面探讨有关欧盟碳排放交易体系修订及扩容事宜。 对节能项目而言， 监测与核查工作也十分重要，它是核准实际节能量的基础。若企业希望拓展自身能源管理知识、 将能源管理纳入整体质量与环境管理流程，可选择应用 ISO 50001 标准及管理体系。 欧洲大型企业需要实施能源（或环境）管理体系，或根据 《欧盟能源效率指令》 （ Energy Efficiency Di- rective）（2012/27/EU 号指令及其 2018 年修正案）规定，完成周期为四年的能源审计工作 5 。 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 18 提高能源效率并非要求达到热力学定律（理论）能效极限值，相反目前很多企业能效表现普遍受限于操作惯 性和成本限制。不过能效措施成效越“触手可及”，未来进一步挖掘节能潜力的难度就越大。能源成熟度模型对 以下能效措施进行了区分： ● （良好）内部管理 （包括维护、例行检查、正确的设备安装、根据实际需求确定设备规格、绝缘处理得当等） ● 控制系统应用（如温度控制限值、减少多余流量、使用变速驱动、开展预防性维护等） ● 简单改造（更换设备） ● 工艺整合（使用热交换器、闭环系统或废热回收） ● 替代工艺（如热电联产、动态模拟预测控制、最新工艺技术等） 能源成熟度越高，潜在节能潜力越大，但同时需要投入也更多、知识储备要求更高、复杂程度及商业风险也越大。 因此，所有节能项目都应由易到难，从能源成熟度较低的措施入手。改进优化单项通用技术，如电机、变速驱动器等， 对某些工业部门而言相当重要，但不属于《指南》主要任务范围；本文也不涉及工业制造企业的厂房建筑能耗及 其影响。生产工艺相关能效措施包括： ● 蒸汽系统优化 （尽量减少热转换次数、预热水或空气、采用节能型换热器、尽量减少或优化同步加热冷却 操作） ● 优化 制冷和冷却系统 ● 重视工艺（或者生产用水）水中的 化学成分（矿物盐、溶解气体等）对水质或水处理要求的影响 ● 安装 热电联产机组减少高温热损失 ● 充分利用系统（工厂） 余热为公司内部、邻近热用户或区域供暖系统提供热源工业生产流程余热温度较高 的情况下利用余热发电 ● 充分利用生产过程中废弃物中潜在的 能源（优先考虑再生利用或循环利用方案） ● 将生产过程中产生的废弃物转化为 能源（优先考虑再生利用或循环利用方案） 这些措施可能适用不同的工业部门，相应部门也会视情况制定具体指南予以说明。 2.3 能效措施概览 3 制浆造纸行业概览 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 20 制浆造纸工艺流程图 资料来源：国际劳工组织百科全书 ILO Encyclopaedia， 2021 3.1 制浆造纸生产流程与工艺步骤简介 本章将介绍制浆造纸行业整体生产流程及相关能耗情况，并概述欧洲制浆造纸行业生产情况及能耗数据。 造纸必先制浆，纸张由纤维制成，其中添加化学品以改善最终纸张成品的性能和质量。造纸厂的纸浆一般由 纤维原料（原木、生物质或回收纤维）通过化学或机械法制成。制浆造纸厂的实际生产流程存在一定差异，具体 视生产原料和纸制品而定。然而，制浆造纸工艺流程的基本原理不变。基本工艺流程图如下所示。包括制浆造纸 两大生产工艺的工厂为浆纸一体化综合工厂。 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 21 造纸工艺具体包括以下步骤： ● 打浆，纤维除渣、筛选 ● 精浆 ● 浆料浓度稀释 ● 网部纸张成形 ● 机械压榨脱水 ● 热干燥脱水 ● 精加工改善纸面质量 从木材或其他生物质中分离纤维制备纸浆的方法一般有两种：一是使用化学制剂，二是通过机械研磨。 硫酸盐法制浆厂核心工艺流程概览 化学制浆法 硫酸盐纸浆厂核心工艺如下图所示： 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 22 一般可采用两种化学制浆法制备纸浆：硫酸盐法和亚硫酸盐法。硫酸盐法制浆约占全球纸浆总产量 80%，是 应用最为广泛的化学制浆法。亚硫酸盐法在行业占比不断下降，全球目前仅有 10% 纸浆产量采用这种方法。 硫酸盐法制浆使用氢氧化钠和硫化钠处理木质素，即碱法制浆工艺。此项工艺效率较高，适用于处理各类生 物质，但缺点是制浆过程会产生甲硫醇 6 和硫化物等恶臭气体，而且漂白工序比“亚硫酸盐法制浆”更加严格。 硫酸盐法制浆会产生含二氧化硫的废水，废水 PH 值介于 8-9 之间。此外，制浆产生的废水不得与其他工艺废水 相互混合，必须单独进行净化处理。 亚硫酸盐法制浆工艺对原料进行酸性分解，尤其适合处理树节和树皮，而硫酸盐法无法处理这些部位。此项 工艺为制浆工序提供更多选择，而且产生的异味更小。但是，成品纸张的强度较硫酸盐法略逊一筹。 机械制浆 机械制浆工序通过机械作用离解木材或生物质纤维，尽量保留木质素以提高纸浆产量，而且满足一定的强度 和白度要求。机械制浆工艺与技术种类多样。 制浆工艺名称原料常见用途 磨木浆（GW） 压力磨木浆（PGW） 云杉、冷杉（软木） 印刷书写纸、新闻纸 热磨机械浆（TMP） 云杉、冷杉（软木） 印刷书写纸、新闻纸 化学机械浆（CMP） 云杉，也包括白杨、山毛榉、氢氧化钠、 亚硫酸钠、过氧化氢 印刷书写纸、新闻纸、卫生纸、包装 纸板 化学热磨机械浆（CTMP） 云杉，也包括白杨、山毛榉、氢氧化钠、 亚硫酸钠、过氧化氢 印刷书写纸、新闻纸、卫生纸、包装 纸板 磨木浆或压力磨木浆的制备方式是将原木放入不断旋转的磨石进行研磨，并持续向内注水。盘磨机械浆（RMP） 的制备方式与热磨机械浆（TMP）、化学热磨机械浆（CTMP）类似，主要使用金属圆盘磨解木屑或其他生物质纤维。 连续式蒸煮器生产纸浆的木质素含量取决于木材原料或其他生物质、化学电荷、停留时间以及蒸煮区的温度 情况。连续式蒸煮器与间歇式蒸煮器在操作流程方面基本相同，木屑投入蒸煮区之前需要进行预热处理。下一步， 木屑或其他生物质在浸渍罐内与蒸煮液完成浸渍，该步骤不在主蒸煮器内进行。经过浸渍工序，原液温度提升至 155-175 摄氏度。达到最高温度后，蒸煮时间一般需要一两个小时。 6 甲硫醇是由碳、氢、硫组成的有机气体。 造纸行业国际能效及脱碳技术最佳实践指南 23 蒸煮器 X(w ,­#â U
#â 4è#v #G#Ô#â 回收材料再生造纸 再生纤维（ RCF）或回收材料造纸需要增加一道额外工序，以分离疏解纤维并去除杂质。具体生产加工流程 取决于成品纸张类型，新闻纸、卫生纸或纸板等纸品对工序的要求各不相同。视成品加工需要，可仅进行机械清洗（生 产全废纸挂面箱纸板或纸板）或增加脱墨工序（生产新闻纸、卫生纸或脱墨纸板）。 制备脱墨（再生利用）纸品 ½+OY+X 4è#v6“ #žF9 “¹#ð#G#Ô gNÌ8¢ 主要工艺步骤如下： ● 干燥纸张再次打浆进行再生利用：碎浆机加入热水、白水或生产用水分解纸张纤维。脱墨工序则需要加入 添加剂（氢氧化钠）。 ● 机械去除杂质 ● 浮选脱墨（备选方案）：加入氢氧化钠和硅酸钠，将油墨颗粒从纤维中释放并使其保持分散状态。通过（多 级）浮选技术分离纤维与油墨。可使用筛带压榨机、（盘式）增稠机、螺旋压榨机或洗浆机提高浆料浓度。 ● 水洗脱墨和除灰工序（可选）可对