工业行业源头-过程-末端全过程减排潜力评估研究

孙园园， 白 璐， 张 玥， 乔 琦*

1.中国环境科学研究院， 国家环境保护生态工业重点实验室， 北京 100012 2.同济大学环境科学与工程学院， 上海 200092

我国经济高质量发展过程中工业行业污染减排是需要跨越的一道重要关口[1]. 《第二次全国污染源普查公报》[2]显示，大气污染物排放仍以工业污染源为主，工业源二氧化硫、氮氧化物、颗粒物和挥发性有机物的排放量分别占全国总排放量的75.98%、36.18%、75.44%和47.34%. 工业行业污染减排对降低废气污染物排放总量、提高空气质量至关重要.

污染减排潜力评估是分析污染源实施不同清洁生产和污染治理技术后，可获得的污染物产生量和排放量的削减空间. 国内外常用的针对不同地区[3-4]、行业[5-10]和污染物种类[11-15]的减排潜力评估方法和模型有MARKAL模型[16-17]、LEAP模型[18-20]、AIM/Enduse 模型[21]、RAINS模型[22]、CGE模型[23-26]、LEAPChina模型[27]、AIM-EnduseChina模型[24]、ChinaGEM模型[28]等，这些模型和方法多以能源或产业结构调整为重点开展减排策略的制定，基于生产工艺的潜力评估方法较为鲜见，在行业减排时措施的精准性和针对性不足. 此外，目前的减排潜力评估也缺少将生产端(清洁生产潜力)和治理端(末端治理潜力)系统考虑的研究，清洁生产与末端治理之间的协同减排效应研究也较少[29-30]. 因此，亟需建立一套具体到生产工艺的全过程协同污染减排潜力评估模型.

污染物减排主要受政策和技术两方面影响. 在政策方面，生态环境质量改善目标对污染物允许排放量提出限制性要求；在技术方面，污染物减排潜力与生产工艺的技术化水平、污染控制技术水平以及管理技术水平和效率等直接相关. 在制定减排技术途径时需二者兼顾. 将自上而下与自下而上结合建模可以统筹兼顾宏观的整体调控目标与微观的技术明确性[31-37]. 该研究采用自上而下与自下而上结合的方式建模，其中，自上而下指从宏观角度测算行业整体的减排潜力，通过与行业先进技术水平地区的整体比较分析得出；自下而上指从行业生产产品、工艺和原材料出发，从生产过程的微观角度测算减排潜力.

该研究从生态环境质量改善目标下对污染减排的量化要求，以及区域和行业层面技术可行性的现实出发，建立了一套聚焦到具体减排控制环节的源头-过程-末端全过程协同减排潜力评估模型(SPECM). 在充分考虑减排目标和不同生产工艺对污染物产排影响的前提下，以区域污染物目标减排量为主要约束，通过对工业污染源数据的进一步挖掘，利用各行业污染源的活动水平和产排污量信息，分析行业不同产品、原料、生产工艺和治理技术的应用及产排污现状，采用潜力差值测算的方式逐一识别原材料替代、工艺升级、治理技术升级等方面存在的减排空间，筛选污染减排最具潜力和可行的生产工艺路线，以期为区域行业污染减排和转型升级提供精准对策.

1 研究方法与数据

1.1 研究方法

与现有的减排潜力测算方法不同，该研究建立的SPECM模型从行业具体生产工艺出发，将行业减排转化为生产工艺减排，充分利用了行业、生产工艺的污染物产生量，通过将清洁生产改造(源头减排和过程减排)与末端减排协同，达到源头-过程-末端全过程协同减排潜力测算的目的. 该SPECM模型主要包括3个模块，分别为减排行业筛选模块、产生排放特征分析模块和减排潜力评估模块(见图1).

图1 SPECM模型结构Fig.1 Structure diagram of SPECM model

1.1.1减排行业筛选模块(mitigation industry sectors screening module，MISM)

MISM是基于情景分析通过自上而下的方式测算评估地区行业与标杆地区对应行业的潜力差值. MISM模块包括确定标杆地区、减排行业类别识别和初步潜力差值测算3个部分： ①确定标杆地区. 标杆地区即为产业结构相似但产排污绩效明显优于所评价地区水平的区域. ②减排行业类别识别. 将目标减排地区所有行业分别按照排放量和排放强度进行分类，减排行业类别识别准则为，选取污染物排放量前Z%、污染物排放强度小于地区最大排放强度X%的行业作为减排行业(Ⅰ)；选取污染物排放量前Z%、污染物排放强度大于地区最大排放强度X%的行业作为减排行业(Ⅲ)；选取污染物排放量非前Z%、污染物排放强度大于地区最大排放强度X%的行业作为减排行业(Ⅱ)；其余行业为其他类.X值的选择需使排放强度较大的行业不被划分到其他类中.Z值的选择需使排放量较大的行业划分到减排行业(Ⅰ)和减排行业(Ⅲ)中.X将评估地区的工业行业划分为当前需要着重控制的减排行业(Ⅰ)和减排行业(Ⅲ)、未来在环境准入方面需慎重考虑的减排行业(Ⅱ)，以及对减排贡献很小的其他类. 在对地区行业减排潜力进行评估时，也可根据当地的减排需求[38-39]设定X和Z的值. ③初步潜力差值测算. 该模块从行业整体出发，测算目标地区某行业与标杆地区对应行业减排潜力差值. 该步骤仅考虑目标地区减排行业与标杆地区该行业产排强度和去除率差值，使减排行业按标杆地区的生产现状进行减排，未考虑减排成本、分担原则和技术水平差异等情况，仅代表该行业的理论减排潜力. 该研究共测算了4种类型的潜力差值〔见式(1)～(4)〕，分别为清洁生产潜力差值(cleaner production project，CPP)、末端减排潜力差值(end-of-pipe project，EPP)、标杆模式潜力差值(benchmarking mode project，BMP)和协同减排潜力差值(collaborative project，CP).

CPPi=GVi×ΔIGi×(1-ηi0)

(1)

EPPi=-PGi×Δηi

(2)

BMPi=GVi×ΔIOi

(3)

CPi=GVi×IGi2×(1-ηi2)-POi

(4)

式中：i为国民经济行业分类代码中的小类行业；CPPi为行业i的清洁生产潜力差值，t；GVi为行业i的工业总产值，109元；ΔIGi为行业i减排后与当前的产污强度差值，t/(109元)；ηi0为行业i当前的污染物实际去除率，%；EPPi为行业i的末端减排潜力差值，t；PGi为行业i的污染物产生量，t；Δηi为行业i减排前后的污染物实际去除率差值，%；BMPi为行业i的标杆模式潜力差值，t；ΔIOi为行业i减排后与当前的污染物排放强度差值，t/(109元)；CPi为行业i的协同减排潜力差值，t；IGi2为标杆地区行业i的产污强度，t/(109元)；ηi2为标杆地区行业i的污染物实际去除率，%；POi为行业i的污染物排放量，t.

1.1.2产生排放特征分析模块(generation and emission characteristic analysis module，GECAM)

GECAM模块包括识别减排小类行业主要产污产品-原料-工艺技术组合以及末端治理技术情况. 小类行业指《国民经济行业分类》中四级代码行业，相比大类行业其产品和工艺的同质性更强.

工业行业的生产工艺较多，但主要产生污染物的产品-原料-工艺比较集中. 该模块对行业污染物产生量前85%的生产工艺进行识别.

末端治理技术情况识别主要包括行业实际去除率和末端治理技术应用情况的识别. 行业实际去除率直接用行业的污染物产生、排放量进行测算. 末端治理技术应用情况采用第k种末端治理技术的企业数量占比表示.

污染物的实际去除率为治理设施去除率(η)与设备运行率(K)的乘积.K值的大小直接影响治理设施对污染物的实际去除率. 当K值范围为[0.8, 1]时，说明治理设施的运行状态良好，末端治理的关键是提高治理技术的去除率；当K值范围为[0, 0.6]时，说明末端减排的关键是加强管理监督，需保证治理设施的良好运行.

1.1.3减排潜力评估模块(emission reduction potential evaluation module，ERPEM)

ERPEM模块是通过自下而上的方式测算行业的主要产污工艺和末端治理情况与标杆地区对应工艺技术的差值. 该模块从减排行业的产品、工艺、原料及末端治理情况出发，定量识别源头、过程、末端的减排潜力，通过穷举算法测算减排行业的源头-过程-末端全过程协同减排潜力及减排潜力系数. 该研究中源头减排包括原辅料的替代；过程减排包括工艺过程升级，主要涉及产品生产工艺过程的改造(包括温度控制、生产自动化程度和物料混合方式等)、工人操作技术优化及车间过程管理等；末端减排包括采用去除率较高的技术代替直排及去除率较低的技术. 减排潜力系数(Ccrp)指为实现某个减排目标时，通过源头减排、过程减排和末端减排3种对策协同减排时每种对策的排放量削减程度.

污染物排放量数据一般来源于监测法和系数法[40-41]. 自下而上减排潜力测算的目标函数：

MinΔP=αΔPGs+βΔPGp+γΔPGe

(5)

MinΔIGi=IGit-IGi0

(6)

MaxΔηi=ηik-ηi0

(7)

(8)

(9)

(10)

约束条件：

(11)

0≤α≤100%

(12)

0≤β≤100%

(13)

0≤γ≤100%

(14)

式中：ΔP为减排前后的污染物排放量差值，t；α为源头减排潜力系数；β为过程减排潜力系数；γ为末端减排潜力系数；ΔPGs为源头减排潜力，t；ΔPGp为过程减排潜力，t；ΔPGe为末端减排潜力，t；n为评估地区减排行业总数；m为行业i主要的产污产品-原料-工艺总数；ΔIGi为行业i减排前后的产污强度差值，t/(109元)；IGit为行业i减排后的产污强度，t/(109元)；IGi0为行业i当前的产污强度，t/(109元)；ηik为行业i第k种末端治理技术的实际去除率，%； ΔIGijp为行业i第j种产品-原料-工艺过程减排前后的产污强度差值，t/(109元)；ΔIGijs为行业i的第j种产品-原料-工艺源头减排前后的产污强度差值，t/(109元)；PGit为行业i经过程减排和源头减排后的污染物产生量，t；POit为减排后行业i的污染物排放量，t；POA为评估地区污染物的允许排放量，t.

通过穷举算法测算减排行业源头-过程-末端全过程协同减排潜力及减排潜力系数. 穷举算法的原理是从所有可能的解中筛选出符合目标值的对象，其优点在于简单直接，但通常为了提升运算效率，可以通过对研究对象实际状况评估，合理划定解集范围.Ccrp的测算精度为[0,100%]内的整数. 依据评估地区对工业行业源头替代率、末端废气收集率的要求[42]，进一步约束α、β和γ的取值范围，实现对减排潜力和减排方案的优选.

1.2 研究区域概况

选择广东省佛山市顺德区为研究区域，以污染物VOCs为主要对象，对提出的污染减排潜力评估方法进行实证研究. 2017年，佛山市顺德区工业源VOCs排放量占全市工业源排放总量的38.42%. 佛山市顺德区企业存在规模小、数量多、聚集度高等特点，同时八大支柱产业包括家用厨房电器具制造业，塑料零件及其他塑料制品制造行业，电线、电缆制造行业，塑料人造革、合成革制造行业，塑料板、管、型材制造行业，木制家具制造业，金属家具制造业，涂料制造行业和化学药品原料药品制造行业是VOCs产排量较大的重点行业. “十四五”期间佛山市顺德区的VOCs减排压力大、任务重，是广东省VOCs减排的重点地区.

1.3 数据来源

该研究所用数据来源于广东省佛山市顺德区生态环境统计数据和部分调研数据.

2 结果与讨论

2.1 基于情景分析自上而下测算行业减排潜力

根据标杆地区的确定原则，选择工业产业结构与佛山市顺德区相似且清洁生产水平较高的深圳市作为顺德区VOCs减排的标杆地区.

通过分析顺德区VOCs减排行业的排放强度和排放量占比情况，Z值和X值分别为75%和2%，减排行业分类情况如图2所示. 减排行业(Ⅰ)包括木制家具制造业(2110)，塑料板、管、型材制造业(2922)，塑料零件及其他塑料制品制造业(2929)，电线、电缆制造业(3831)，金属家具制造业(2130)，涂料制造(2641)，其他未列明金属制品制造业(3399)以及家用厨房电器具制造业(3854)，这些行业VOCs排放总量超过顺德区排放总量的70.0%；减排行业(Ⅱ)包括其他机织服装制造(1819)，塑料人造革、合成革制造(2925)，电梯、自动扶梯及升降机制造(3435)，电子专用材料制造(3985)，绘图、计算及测量仪器制造(4013)，建筑用木料及木材组件加工(2031)，化学药品原料药品制造(2710)，金属工艺品制造(2432)，纺织面料鞋制造(1951)以及油墨及类似产品制造(2642)，这些行业VOCs排放强度较高，清洁生产水平较差；减排行业(Ⅲ)包括泡沫塑料制造业(2924)；其余行业为其他类，由于其对顺德区VOCs减排贡献量极小，故暂不对其进行减排.

图2 顺德区VOCs减排行业VOCs排放情况Fig.2 The VOCs emission of VOCs emission reduction industry sectors in Shunde District

根据式(1)～(4)测算减排行业(Ⅰ)、减排行业(Ⅱ)和减排行业(Ⅲ)的减排潜力差值(见图3)，结果表明，减排行业(Ⅰ)和减排行业(Ⅲ)的减排潜力均较大，而减排行业(Ⅱ)减排潜力较小.

图3 不同测算模式下各行业减排潜力占顺德区VOCs排放总量的比例Fig.3 The ratio of the emission reduction potential under different calculation modes to the total VOCs emission in Shunde District

2.2 VOCs产排污工艺识别

2.2.1产污工艺识别

由表1可见，各行业主要VOCs产污工艺较为集中，对主要产排污工艺进行改造和治理，可快速实现行业污染减排要求. 以木质家具制造行业为例，用溶剂型涂料对实木家具和人造板家具进行喷漆和流平/烘干/晾干的VOCs产生量分别占整个行业产生总量的66.51%和28.88%，通过控制这两种生产工艺，可控制行业90%以上的VOCs产生量.

表1 减排行业(Ⅰ)和减排行业(Ⅲ)的主要产污工艺

2.2.2行业VOCs末端处理情况剖析

佛山市顺德区K值在0.8以上的企业占比为98.25%，设备运行状态优于标杆地区(见图4). 然而，顺德区末端治理技术的平均去除率低于标杆地区，说明标杆地区普遍采用了更高效的末端治理技术. 减排行业(Ⅰ)和减排行业(Ⅲ)中其他未列明金属制品制造行业，电线、电缆制造行业以及家用厨房电器具制造行业的治理设施运行状况略差于顺德区，其余各行业K值分布与顺德区整体情况一致.

2.3 自下而上减排潜力及减排潜力系数测算

由图5可见，以木质家具制造行业为例，顺德区VOCs直接排放的企业占比为11.62%，实际去除率较高的末端治理技术的普及率较低，而标杆地区普遍采用平均去除率较高的VOCs治理技术. 提高实际去除率较高的末端治理技术的应用率，将会产生可观的末端减排潜力.

注： 未填写指调研时部分企业未填报K值，导致数据缺失.图4 顺德区和标杆地区VOCs末端治理 设备运行情况对比Fig.4 Comparison of the operation of VOCs terminal treatment equipment in Shunde District and Shenzhen

图5 木质家具制造业末端治理情况Fig.5 End of pipe of wooden furniture manufacturing industry sector

2.3.1自下而上减排潜力测算

基于行业产排污工艺分别测算源头、过程、末端的减排潜力以及源头-过程-末端全过程协同减排潜力(见图6). 顺德区生产工艺的产污强度较高、清洁原料的使用量较低，与标杆地区相比，具有明显的源头减排潜力和过程减排潜力. 由于源头和过程减排降低了VOCs的产生量，因此末端减排潜力较低.

图6中仅显示了几组特殊情况下的协同减排潜力，当减排潜力系数α、β和γ均为20%时，协同减排潜力达12.94%，达到顺德区减排7%的要求；当减排潜力系数α、β和γ均为100%时，源头-过程-末端全过程协同减排潜力最高,达到当前实际排放量的71.23%. 因源头、过程和末端减排潜力互相牵制，该研究利用python求解减排目标下的减排潜力系数解集，明确减排潜力目标在源头、过程和末端的分配，经计算共获得1.8×104组可行解.

图6 顺德区源头、过程、末端以及源头-过程-末端协同减排潜力Fig.6 The source, process, end, and source-process-end cordinated emission reduction potentials of Shunde District

2.3.2全过程协同减排潜力系数测算及优化

根据广东省涉工业涂装行业VOCs减排要求，以源头(高固含量涂料或漆料等)替代率不低于30%推进水性原料使用，加强过程减排，末端废气收集率不低于80%[42]. 该研究源头减排潜力是以水性原料替代为基准测算出的最大值，由于水性原料的产污强度较低，因此减排潜力系数难以达到最大值. 根据当前顺德区的原材料使用情况，建议源头减排潜力系数取值范围为0～50%. 根据各行业不同的生产情况，过程减排的减排潜力系数范围较大，为0～90%. 目前，顺德区末端处理技术的使用率较高，但仍存在直排情况，该研究测算的末端减排潜力是从进一步降低直排率出发，测算了使用处理效率较高的技术处理直排部分带来的减排潜力，暂时未对处理效率较低的技术进行替换，因此该研究末端减排强度较低，建议末端减排潜力系数范围为60%～100%.

将α、β和γ的取值范围进一步约束后，当顺德区VOCs减排目标为7%～8%时，测算精度为两位小数的减排潜力系数(Ccrp)的可取解共6 734组. 根据顺德区的生产情况和减排潜力系数的测算结果，具有源头减排潜力的木质家具制造、泡沫塑料制造和家用厨房电器具制造行业的源头减排潜力系数取值范围为8%～13%，过程和末端减排潜力系数分别取20%～50%和60%～100%，共265组可选方案. 其他仅具有过程和末端减排潜力的行业，其过程和末端减排潜力系数分别选取40%～80%和70%～100%，共2 230 组可选方案. 该研究未考虑行业对减排程度的耐受性，即在不改变行业产品结构约束下的最大减排程度；也没有考虑减排的技术经济性，当加入耐受性和技术经济性指标后，可选减排方案的数量将进一步缩减，下一步将加强该方面的研究.

3 结论及建议

a) 该研究以清洁生产水平较高的深圳市作为佛山市顺德区的VOCs减排标杆地区，对比核算出顺德区VOCs源头减排潜力较大. 塑料材料加工制造及涂装件的喷涂、干燥等环节的VOCs减排方向为采用原辅材料替代升级和更清洁化的加工工艺. 工艺过程产污强度差距较大也是导致地区间产排污绩效差异的主要原因，如喷漆、化学聚合、造粒等生产环节，减排方向为优化生产工艺过程，强化无组织排放管理，以及提高工艺过程密闭性、自动化.

b) 减排目标下，减排潜力系数解集的优化需结合评价区域行业的实际生产状况与末端治理情况，不同行业具有不同的减排潜力系数优化解集. 然而，要获得最佳的减排潜力系数解集，需进一步对减排方案进行技术经济性分析.

c) 污染减排潜力评估涉及多方面的理论、方法和技术，该研究探讨了源头-过程-末端全过程协同减排潜力的评估，未涉及产业结构调整的减排潜力，同时对源头-过程-末端全过程协同减排的费效关系关注较少. 技术经济性在污染减排中至关重要，为获得兼顾技术可行性和经济性的减排方案，源头-过程-末端全过程协同减排技术经济性的研究正在开展. 此外，实际应用中常涉及多种污染物的协同减排，因此针对多种污染物协同减排潜力评估方法、协同减排的费效关系以及协同减排程度边界确定等方面还需要进一步的完善和研究.