天津市“十三五”期間大氣污染防治措施對PM2.5和CO2的協同控制效益分析*

李敏姣 李 燃 李懷明 尹立峰 張雷波 王蔭蔭 郭洪鵬

(1.天津市生態環境科學研究院，天津 300191；2.天津環科環境規劃科技發展有限公司，天津 300191)

當前，大氣污染和溫室氣體排放對中國高質量、可持續發展造成的影響日益顯著，加速空氣質量達標和碳排放達峰(“雙達”)進程迫在眉睫。研究表明，CO2與常規大氣污染物具有顯著或極顯著的相關性，“同根同源”的屬性使得兩者之間的協同控制具有較大潛力[1-2]。近年來，針對大氣污染控制與溫室氣體減排協同效益的研究已經引起了學者們的關注。高慶先等[3]基于二維四象限圖構建了大氣污染控制和溫室氣體減排協同效益評估指標，并針對《大氣污染防治行動計劃》中能源和產業結構調整措施進行了協同效應實施效果評估。賈璐宇等[4]運用排放因子法評估了《大氣污染防治行動計劃》相關政策措施在中國各省市、各部門的CO2減排效果。周穎等[5]利用能源、環境、經濟投入產出模型研究了水泥行業主要常規污染物和CO2之間的協同減排方式，定量計算主要常規污染物和CO2之間的減排協同度。毛顯強等[6-7]對鋼鐵和電力行業的SO2、NO2和CO2協同減排的評估方法和環境經濟路徑進行了研究，著重分析不同技術減排措施的成本和效果。還有一些學者[8-10]對典型城市的大氣污染物和溫室氣體協同控制措施減排效果進行了核算。

目前的研究主要是從排放的角度，評估政策措施對于常規大氣污染物和溫室氣體的協同減排效果。考慮到以PM2.5為代表的大氣污染物來源復雜，既包括一次直接排放，也包括二次反應生成，為了進一步研究政策措施對于空氣質量的改善效果，本研究以PM2.5濃度和CO2排放為評價因子，定量評估天津市“十三五”期間大氣污染防治措施對PM2.5濃度改善效果以及對CO2的減排量，以探索空氣質量改善和溫室氣體減排的協同路徑，為實現“雙達”目標的政策措施制定提供參考。

1 研究方法

1.1 空氣質量改善效果的計算方法

本研究的空氣質量改善效果重點指PM2.5濃度下降值。基于2015年天津市大氣污染源排放清單、“十三五”期間天津市環境統計數據、統計年鑒以及相繼實施的《天津市大氣污染防治行動計劃》《天津市打好污染防治攻堅戰攻堅計劃》中相關措施要求，對2016—2020年大氣污染源排放清單進行更新，估算“十三五”期間各項措施的大氣污染物減排量，并利用WRF-CAMx模型開展主要措施的空氣質量改善效果評估。

有研究表明，WRF-CAMx模型能較好地模擬PM2.5的來源貢獻，可用于不同情景或措施對空氣質量改善的影響分析[11-13]。本研究采用WRF V4.2版本中尺度氣象模型和CAMx V6.4版本空氣質量模型進行模擬分析，WRF模型的初始輸入數據采用美國國家環境預報中心(NCEP)提供的6 h一次、1°×1°分辨率的FNL全球分析資料；大氣污染源排放清單中天津市周邊省市的區域污染物排放量使用清華大學MEIC排放清單中的數據，天津市采用根據本市環境統計和其他行業統計數據建立的清單。CAMx模型模擬區域使用Lambert投影坐標系，兩條標準緯線為30°N和60°N，中心點經緯度為(116.5°E，39.5°N)，采用3層嵌套網格，網格分辨率分別為27 km×27 km、9 km×9 km、3 km×3 km，對應格點數分別為85×85、113×113、128×128，最外層(D01)模擬區域覆蓋中國東北、華北、華中、華東主要地區，次外層(D02)模擬區域覆蓋“2+26”城市(包括北京市，天津市，河北省石家莊市、唐山市、廊坊市、保定市、滄州市、衡水市、邢臺市、邯鄲市，山西省太原市、陽泉市、長治市、晉城市，山東省濟南市、淄博市、濟寧市、德州市、聊城市、濱州市、菏澤市，河南省鄭州市、開封市、安陽市、鶴壁市、新鄉市、焦作市、濮陽市)及周邊區域，內層(D03)模擬區域覆蓋本研究所關注的天津市以及周邊京津冀主要地區和渤海部分海域。模型選用CB05氣相化學反應機制和CF氣溶膠方案，垂直方向共設置24個氣壓層，層間距自下而上逐漸增大。模擬時段選取2020年1、4、7、10月。

1.2 溫室氣體減排效果的計算方法

本研究的溫室氣體減排效果主要指CO2減排量。基于天津市“十三五”期間相關統計數據和大氣污染防治措施，估算各項措施實施前后CO2排放量的差值。計算公式見式(1)：

Ei=Ai，0×EFi，0-Ai，1×EFi，1

(1)

式中：Ei為i措施對CO2的減排量；Ai，0為i措施實施前排放源的活動水平，以標準煤計；Ai，1為i措施實施后排放源的活動水平，以標準煤計；EFi，0為i措施實施前排放源的CO2排放因子；EFi，1為i措施實施后排放源的CO2排放因子。式中各變量單位視具體情況而定。其中，相關活動水平數據來自相應年份的天津市環境統計數據和統計年鑒數據；CO2排放因子的計算參考《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589—2020)、《省級溫室氣體排放清單編制指南(試行)》和國家發改委發布的24個行業企業溫室氣體排放核算方法與報告指南。

1.3 空氣質量改善與溫室氣體減排協同效益的計算方法

本研究以PM2.5濃度下降比例與CO2減排比例的乘積構建一個協同效益指數，來表征各項措施對空氣質量改善和溫室氣體減排的協同控制效益。計算公式見式(2)：

Ii=Pi×Ci

(2)

式中：Ii為i措施對空氣質量改善和溫室氣體減排的協同效益指數；Pi為i措施產生的PM2.5濃度的下降值占所有措施PM2.5濃度下降值的比例，%；Ci為i措施產生的CO2減排量占所有措施CO2減排量的比例，%。當Pi>0，Ci>0，則Ii>0，表明i措施的實施可以實現PM2.5濃度下降和CO2減排，具有較好的協同效益，且Ii越大，協同效益越好。當Pi>0、Ci<0或者Pi<0、Ci>0，則Ii<0，表明i措施的實施不能同時控制PM2.5和CO2，不具備協同效益。當Pi<0，Ci<0，則Ii>0，表明i措施的實施會導致PM2.5濃度上升以及CO2排放量的增加，協同控制效益最差。

2 結果和分析

2.1 模型模擬結果驗證

為了進一步驗證CAMx模型的模擬結果，統計了2020年1、4、7、10月天津市14個國控點位PM2.5的小時濃度監測值與模型模擬值的標準化平均偏差(NMB)、標準化平均誤差(NME)和相關系數(計算方法見文獻[14])。從表1的驗證結果可以看出，本研究對天津市PM2.5的模擬中NMB、NME和相關系數等評價指標的數值均與國內外文獻報道的模擬效果相近[15-17]，在可接受范圍內。

表1 PM2.5模擬值與監測值的統計參數

2.2 “十三五”期間主要措施梳理

“十三五”期間，天津市高度重視大氣污染防治工作，深入推進《天津市大氣污染防治行動計劃》，制定實施《天津市打贏藍天保衛戰三年作戰計劃(2018—2020年)》，治污減排取得明顯成效[18]，大氣環境質量持續向好，2020年PM2.5年均質量濃度下降至48 μg/m3，較“十二五”末下降31.4%。本研究歸納整理出天津市“十三五”期間大氣污染治理一級措施4類和二級措施27項，同時根據措施含義和數據的可獲得性，篩選出可量化的PM2.5濃度改善二級措施25項，具有CO2減排效果的二級措施12項(見表2)。

表2 “十三五”期間PM2.5濃度改善和CO2減排效果評估措施選擇1)

2.3 空氣質量改善效果評估

2.3.1 主要大氣污染物減排量

根據本地化大氣污染源排放清單數據，2015年天津市PM10、PM2.5、SO2、NOx、VOCs等5項污染物的年排放總量分別為23.4萬、10.7萬、20.3萬、27.4萬、27.5萬t，各項污染物主要排放源占比見圖1。可以看出，固定燃燒源、工藝過程源、揚塵源是天津市顆粒物的主要排放源；SO2主要來源于工藝過程源和固定燃燒源；NOx主要排放源為固定燃燒源、道路移動源和非道路移動源；VOCs主要來源于工藝過程源和溶劑使用源。

圖1 天津市2015年各項大氣污染物排放源占比情況

天津市“十三五”期間25項大氣污染治理二級措施對PM10、PM2.5、SO2、NOx和VOCs的減排量分別為8.2萬、4.4萬、5.1萬、6.4萬、6.1萬t。表3為各項措施對污染物的減排貢獻占比。結果顯示，對PM10減排貢獻率較大的措施依次為散煤治理(17.3%)、工業鍋爐改燃并網(15.4%)、供熱鍋爐改燃并網(13.0%)、道路揚塵管控(9.1%)、無組織排放治理(8.4%)。對PM2.5減排貢獻較大的前3項措施與PM10一致，分別為散煤治理(25.6%)、工業鍋爐改燃并網(13.0%)、供熱鍋爐改燃并網(11.0%)，另外“散亂污”整治(10.6%)、道路揚塵管控(6.8%)也發揮了較大作用。對SO2減排貢獻較大的幾項措施主要集中在治理燃煤污染和工業污染方面，分別為工業鍋爐改燃并網(22.9%)、散煤治理(22.2%)、供熱鍋爐改燃并網(18.1%)、電力行業超低排放改造(8.2%)、“散亂污”整治(7.7%)。對NOx減排貢獻較大的幾項措施除了體現在燃煤和工業污染治理方面外，還包括移動源的治理，措施貢獻較大的依次為工業鍋爐改燃并網(17.0%)、供熱鍋爐改燃并網(13.9%)、鋼鐵企業退出(13.5%)、淘汰老舊車(10.6%)、天津港煤炭轉運方式調整(5.9%)。對VOCs減排貢獻最大的是VOCs綜合治理，占比超過60%，主要得益于近600家重點工業企業完成VOCs治理升級改造或關停、石化和化工行業VOCs泄漏檢測與修復以及工業涂裝等行業原輔材料替代等。

表3 “十三五”期間各項措施對大氣污染物的減排貢獻占比

2.3.2 PM2.5改善效果

根據模擬結果，天津市“十三五”期間主要大氣污染治理措施使得PM2.5累計下降19.18 μg/m3，其中治理燃煤污染、治理工業污染、治理移動源污染、治理揚塵污染各類一級措施使PM2.5分別下降8.33、7.10、1.80、1.95 μg/m3。從各項二級措施對PM2.5的濃度改善貢獻(見圖2)來看，以2017—2019年實施的120萬戶散煤治理措施效果最顯著，使PM2.5下降3.51 μg/m3(貢獻占比18.3%)。其次是工業鍋爐和供熱鍋爐改燃并網，使PM2.5分別下降2.61、2.13 μg/m3(貢獻占比分別為13.6%和11.1%)。除上述3項治理燃煤污染的措施外，治理工業污染措施中的2.2萬家“散亂污”整治和3家鋼鐵大型企業退出也起到較大的作用，分別使PM2.5下降1.83、1.69 μg/m3(貢獻占比分別為9.6%和8.8%)。

圖2 “十三五”期間各項措施對PM2.5質量濃度改善的貢獻

2.4 溫室氣體減排效果評估

根據核算，2015年天津市CO2排放總量為1.65億t，來自煤炭(含焦炭)54.4%、油品26.2%、天然氣8.2%、外調電力11.1%。從行業來看，工業部門排放占全市CO2排放總量的67.7%，其中鋼鐵、電力、化工、石化4大行業是主要排放源，占工業CO2排放量比例接近70%。“十三五”期間，天津市CO2排放總量波動趨穩。對表2中列出的12項二級措施分別計算了CO2的減排量(見圖3)，結果顯示，共實現CO2減排2 323.84萬t。其中散煤治理措施包括43萬戶煤改電、65萬戶煤改氣以及12萬戶集中供熱等治理措施，分別實現CO2減排-38.10萬、37.68萬、40.94萬t，綜合減排量為40.52萬t。值得注意的是，由于華北電網CO2排放因子較高(0.884 3 kg/(kW·h))，因此煤改電措施的CO2減排量為負值。工業鍋爐改燃并網措施包括4 578 t/h工業鍋爐改燃、5 310 t/h工業鍋爐拆除并網，分別實現CO2減排336.91萬、497.80萬t，綜合減排量為834.71萬t。供熱鍋爐改燃并網措施包括7 734 t/h供熱鍋爐改燃、4 565 t/h供熱鍋爐拆除并網，分別實現CO2減排19.44萬、149.79萬t，綜合減排量為169.23萬t。清潔能源利用措施包括提高風電、光電等可再生能源發電量(共40億kW·h)，實現CO2減排300.05萬t。

圖3 “十三五”期間各項措施對CO2減排的貢獻

綜合來看，“十三五”期間工業鍋爐改燃并網和鋼鐵企業退出兩項措施的CO2減排效果最為明顯，分別減排834.71萬、699.31萬t。其次是清潔能源利用的CO2減排量超過了300萬t。鼓勵綠色出行和淘汰老舊車等治理移動源污染相關措施也發揮了較大作用，實現CO2減排量總計超過100萬t。另外，電力行業超低排放改造措施的CO2減排量為負值，是由于引風機和增壓風機阻力增加導致機組供電煤耗的增加，從而增加了CO2的排放。

2.5 空氣質量改善和溫室氣體減排協同控制效益評估

根據協同效益指數計算結果，綜合“十三五”期間各項措施對PM2.5濃度改善和CO2減排貢獻來看(見圖4)，治理燃煤污染的措施協同效益最為明顯，其中工業鍋爐改燃并網措施的協同效益指數最高，分別對PM2.5濃度改善和CO2減排貢獻占比分別為13.6%和35.9%，鍋爐燃料由煙煤換為天然氣或其他清潔能源，使常規大氣污染物和CO2排放因子均顯著降低，因此具有較好的協同效益。其次是治理工業污染的鋼鐵企業退出措施，通過化解鋼鐵過剩產能，實現大氣污染物和CO2排放總量下降，也具有較好的協同效益。控制移動源污染的措施協同效益指數雖多為正，但數值相對較小，協同減排還有較大的空間。

圖4 “十三五”期間各項措施對PM2.5質量濃度改善和CO2減排的協同效益

而治理工業污染中的電力行業超低排放改造措施雖然會明顯降低大氣污染物排放量，但由于能耗提升會增加CO2排放，協同效益指數為負，不具備協同減排效果，因此對于工業污染末端治理需要統籌考慮，在滿足超低排放要求的前提下，找到污染物達標排放與節能降耗的合理平衡點，使之并行不悖。另外值得注意的是，散煤治理措施對PM2.5濃度改善的貢獻較為顯著，但是對CO2減排的效益卻不明顯，主要與區域電網的電力結構有關，由于火電比例較高而削弱了兩者的協同效益，這進一步凸顯電力清潔化的重要性。

3 結 語

在空氣質量改善和碳中和大背景下，協同治理是中國深化大氣污染防治和應對氣候變化的必然路徑。目前我國大氣污染防治管理制度相對健全，且部分措施可起到較好的碳減排協同作用。通過天津市“十三五”期間主要大氣污染治理措施對PM2.5濃度改善和CO2減排的協同效益的分析，得出以下幾點結論：

(1) “十三五”期間主要大氣污染治理措施的空氣質量改善效果顯著，使PM2.5質量濃度下降19.18 μg/m3。其中以散煤治理、工業鍋爐改燃并網和供熱鍋爐改燃并網的貢獻最為明顯，分別使PM2.5濃度下降18.3%、13.6%、11.1%。

(2) 部分大氣污染治理措施對CO2的減排量為2 323.84萬t。其中以工業鍋爐改燃并網、鋼鐵企業退出、清潔能源利用的CO2減排效果最為明顯，分別減排834.71萬、699.31萬、300.05萬t。

(3) “十三五”期間主要大氣污染治理措施中，以工業鍋爐改燃并網和鋼鐵企業退出措施對PM2.5濃度改善和CO2減排的協同效益較為顯著。散煤治理措施對PM2.5濃度改善有較大貢獻，但對CO2減排效益不明顯，主要與區域電網的電力結構有關。電力行業超低排放改造措施的協同效益為負，原因在于能耗提升導致CO2排放增加。

值得討論的是，雖然超低排放改造由于設備電耗增加和系統阻力增加風機電耗而帶來直接的CO2排放增加，但通過環保設施運行優化、深度余熱利用改造等措施可一定程度上降低系統能耗從而減小增碳效應。目前，鋼鐵行業正在加快推進超低排放改造，與電力行業不同，鋼鐵行業超低排放改造不僅是煙氣脫硫、脫硝、除塵等末端治理，而是包括有組織排放、無組織排放和運輸環節在內的全流程超低排放改造，通過實施燒結機頭煙氣循環、清潔運輸改造等措施，抵消末端治理增加的碳排放量從而使減污降碳相協同具有一定的可能性，因此未來水泥等非電行業超低排放改造的協同效益值得進一步探討。

整體來看，“十四五”期間應以實現大氣污染防治和CO2減排兩方面目標為前提，統籌制定政策措施，推動改善環境質量從注重末端治理向更加注重源頭預防轉變，實現協同增效，做到空氣質量改善和溫室氣體減排的雙贏。