研究表明電力和生物質能源可以為造紙廠提供動力，實現淨零排放

研究表明，用電力和生物質能源替代天然氣並提高能源效率可以幫助一些製漿造紙廠實現淨零排放。紙， “提高美國紙漿和造紙工業的彈性：通過能源效率、電氣化、低碳燃料和排放的社會成本實現脫碳” 發表於 清潔生產學報。

研究人員首先對由兩個特徵定義的企業進行建模：它們是否使用原生纖維或再生纖維，以及它們是否集成。

原生纖維廠利用首次使用的新鮮木材生產紙漿和紙張，而纖維回收廠則重複使用可能已經加工過的現成纖維。

如果一家工廠有能力在現場將木材和其他生物質加工成紙漿和紙張，則該工廠被視為一體化工廠，而非一體化工廠則使用現場生產和乾燥的紙漿。

“在研究脫碳時，以前的大多數研究都關註一種產品或一種類型的工廠，”該研究的合著者、北卡羅來納州立大學森林生物材料系和機械與航空航天工程系的教授洛肯德拉·帕爾（Lokendra Pal）說。

“通過為這四個類別中的每一個類別建立全廠範圍的模擬，我們可以確定每個類別的相對優勢和劣勢。混合這些不同的變量使我們能夠比以前更詳細地了解運營的權衡和相互依賴性。”

原始綜合工廠占美國紙張年產量的 30%，佔溫室氣體排放量的 33%，是四種工廠類型中所佔比例最大的。

儘管這些工廠 80% 至 90% 的能源使用當地開采的木材廢料生產，但它們通常還包括燃氣鍋爐來提供所需的剩餘能源。另一方面，非綜合工廠不在現場發電，完全依靠燃氣鍋爐併購買電力用於造紙過程中的加熱和乾燥。

總的來說，造紙業占美國工業能源消耗總量的6%，是第四大工業能源消耗國。

研究人員發現，通過改用電鍋爐，這些工廠可以減少多達 61% 的排放，有可能實現淨零排放。帕爾說，這將需要改變電力生產方式，以便發電產生的排放不會抵消工廠的減排量。

“到 2050 年，清潔和可再生能源在美國電力系統中的份額預計將增加，使使用這種電力的鍋爐比使用天然氣的鍋爐清潔得多，”他說。 “我們發現這些工廠有一條實現淨零排放的途徑，但前提是在電網方面取得進展。”

研究人員還研究了使用節能脫水方法（例如酶處理和機械壓榨）在熱乾燥過程之前去除多餘水分的脫碳效果。

傳統的干燥方法包括將濕物質泵送到移動的網上，通過重力和真空除去大部分水分，然後將濕紙幅轉移到夾送輥上，夾送輥機械地擠出更多的水，然後紙張通過蒸汽加熱的金屬圓筒使其餘部分沸騰和蒸發。這種加熱方法稱為熱乾燥，是造紙過程中最耗能的部分。

主要作者兼博士瑪麗亞·E·岡薩雷斯 (Maria E. Gonzalez) 表示，增加壓榨過程中的水分去除量可以顯著節省能源並減少溫室氣體排放。北卡羅來納州立大學森林生物材料系的學生。然而，這可能會導致現場能源生產受到影響。

“我們發現，乾燥前每去除 1% 的水，造紙過程的整體能源效率就會提高 3%。然而，這也意味著用於為渦輪機提供動力的蒸汽產量會減少，”Gonzalez 說。

“業務運營通常是相互依賴的，因此如果改變一個流程，可能會影響其他流程。我們試圖通過為企業提供多種可供選擇的策略來克服相互依賴。”

研究人員分析的最終策略是使用低碳替代品，例如在鍋爐中使用木材廢料代替化石燃料。該方法的有效性取決於工廠是否整合，但所有類型的溫室氣體排放量均有所減少。

用生物質替代有限的化石燃料使聯合發電廠受益匪淺，特別是當電力成本超過天然氣成本時。他們還可能決定通過燃燒生物質來補充為渦輪機提供動力的蒸汽。

總體而言，這種方法顯示脫碳率在 24% 到 48% 之間，具體取決於工廠替代化石燃料的完全程度。帕爾說，雖然這些數字沒有達到通過全面電氣化實現的減排量，但生物質也是一種現成的燃料來源，可以為工廠提供更大的能源獨立性。

“綜合考慮這三項戰略是提高美國製漿造紙行業可持續性和競爭力的重要一步，”帕爾說。 “無論你使用哪種策略，都會出現類似的權衡。可持續發展沒有一刀切的答案。”