“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

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。

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。

具体降碳减排方式和成效如下。

（3）采用智能化设计，降低人工运维成本

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图3所示。

  

  

图3 “以纸代塑”智慧工厂的数字化管理界面及成效

Fig. 3 Digital management interface and effect of "replace plastic with paper" smart factory

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。图4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图5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。

图5  工业锅炉系统数字孪生示意图^[4]

Fig. 5  Schematic diagram of digital twin of industrial boiler system^[4]

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。