天津市“十三五”期间大气污染防治措施对PM2.5和CO2的协同控制效益分析*

李敏姣 李 燃 李怀明 尹立峰 张雷波 王荫荫 郭洪鹏

(1.天津市生态环境科学研究院，天津 300191；2.天津环科环境规划科技发展有限公司，天津 300191)

当前，大气污染和温室气体排放对中国高质量、可持续发展造成的影响日益显著，加速空气质量达标和碳排放达峰(“双达”)进程迫在眉睫。研究表明，CO2与常规大气污染物具有显著或极显著的相关性，“同根同源”的属性使得两者之间的协同控制具有较大潜力[1-2]。近年来，针对大气污染控制与温室气体减排协同效益的研究已经引起了学者们的关注。高庆先等[3]基于二维四象限图构建了大气污染控制和温室气体减排协同效益评估指标，并针对《大气污染防治行动计划》中能源和产业结构调整措施进行了协同效应实施效果评估。贾璐宇等[4]运用排放因子法评估了《大气污染防治行动计划》相关政策措施在中国各省市、各部门的CO2减排效果。周颖等[5]利用能源、环境、经济投入产出模型研究了水泥行业主要常规污染物和CO2之间的协同减排方式，定量计算主要常规污染物和CO2之间的减排协同度。毛显强等[6-7]对钢铁和电力行业的SO2、NO2和CO2协同减排的评估方法和环境经济路径进行了研究，着重分析不同技术减排措施的成本和效果。还有一些学者[8-10]对典型城市的大气污染物和温室气体协同控制措施减排效果进行了核算。

目前的研究主要是从排放的角度，评估政策措施对于常规大气污染物和温室气体的协同减排效果。考虑到以PM2.5为代表的大气污染物来源复杂，既包括一次直接排放，也包括二次反应生成，为了进一步研究政策措施对于空气质量的改善效果，本研究以PM2.5浓度和CO2排放为评价因子，定量评估天津市“十三五”期间大气污染防治措施对PM2.5浓度改善效果以及对CO2的减排量，以探索空气质量改善和温室气体减排的协同路径，为实现“双达”目标的政策措施制定提供参考。

1 研究方法

1.1 空气质量改善效果的计算方法

本研究的空气质量改善效果重点指PM2.5浓度下降值。基于2015年天津市大气污染源排放清单、“十三五”期间天津市环境统计数据、统计年鉴以及相继实施的《天津市大气污染防治行动计划》《天津市打好污染防治攻坚战攻坚计划》中相关措施要求，对2016—2020年大气污染源排放清单进行更新，估算“十三五”期间各项措施的大气污染物减排量，并利用WRF-CAMx模型开展主要措施的空气质量改善效果评估。

有研究表明，WRF-CAMx模型能较好地模拟PM2.5的来源贡献，可用于不同情景或措施对空气质量改善的影响分析[11-13]。本研究采用WRF V4.2版本中尺度气象模型和CAMx V6.4版本空气质量模型进行模拟分析，WRF模型的初始输入数据采用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的6 h一次、1°×1°分辨率的FNL全球分析资料；大气污染源排放清单中天津市周边省市的区域污染物排放量使用清华大学MEIC排放清单中的数据，天津市采用根据本市环境统计和其他行业统计数据建立的清单。CAMx模型模拟区域使用Lambert投影坐标系，两条标准纬线为30°N和60°N，中心点经纬度为(116.5°E，39.5°N)，采用3层嵌套网格，网格分辨率分别为27 km×27 km、9 km×9 km、3 km×3 km，对应格点数分别为85×85、113×113、128×128，最外层(D01)模拟区域覆盖中国东北、华北、华中、华东主要地区，次外层(D02)模拟区域覆盖“2+26”城市(包括北京市，天津市，河北省石家庄市、唐山市、廊坊市、保定市、沧州市、衡水市、邢台市、邯郸市，山西省太原市、阳泉市、长治市、晋城市，山东省济南市、淄博市、济宁市、德州市、聊城市、滨州市、菏泽市，河南省郑州市、开封市、安阳市、鹤壁市、新乡市、焦作市、濮阳市)及周边区域，内层(D03)模拟区域覆盖本研究所关注的天津市以及周边京津冀主要地区和渤海部分海域。模型选用CB05气相化学反应机制和CF气溶胶方案，垂直方向共设置24个气压层，层间距自下而上逐渐增大。模拟时段选取2020年1、4、7、10月。

1.2 温室气体减排效果的计算方法

本研究的温室气体减排效果主要指CO2减排量。基于天津市“十三五”期间相关统计数据和大气污染防治措施，估算各项措施实施前后CO2排放量的差值。计算公式见式(1)：

Ei=Ai，0×EFi，0-Ai，1×EFi，1

(1)

式中：Ei为i措施对CO2的减排量；Ai，0为i措施实施前排放源的活动水平，以标准煤计；Ai，1为i措施实施后排放源的活动水平，以标准煤计；EFi，0为i措施实施前排放源的CO2排放因子；EFi，1为i措施实施后排放源的CO2排放因子。式中各变量单位视具体情况而定。其中，相关活动水平数据来自相应年份的天津市环境统计数据和统计年鉴数据；CO2排放因子的计算参考《综合能耗计算通则》(GB/T 2589—2020)、《省级温室气体排放清单编制指南(试行)》和国家发改委发布的24个行业企业温室气体排放核算方法与报告指南。

1.3 空气质量改善与温室气体减排协同效益的计算方法

本研究以PM2.5浓度下降比例与CO2减排比例的乘积构建一个协同效益指数，来表征各项措施对空气质量改善和温室气体减排的协同控制效益。计算公式见式(2)：

Ii=Pi×Ci

(2)

式中：Ii为i措施对空气质量改善和温室气体减排的协同效益指数；Pi为i措施产生的PM2.5浓度的下降值占所有措施PM2.5浓度下降值的比例，%；Ci为i措施产生的CO2减排量占所有措施CO2减排量的比例，%。当Pi>0，Ci>0，则Ii>0，表明i措施的实施可以实现PM2.5浓度下降和CO2减排，具有较好的协同效益，且Ii越大，协同效益越好。当Pi>0、Ci<0或者Pi<0、Ci>0，则Ii<0，表明i措施的实施不能同时控制PM2.5和CO2，不具备协同效益。当Pi<0，Ci<0，则Ii>0，表明i措施的实施会导致PM2.5浓度上升以及CO2排放量的增加，协同控制效益最差。

2 结果和分析

2.1 模型模拟结果验证

为了进一步验证CAMx模型的模拟结果，统计了2020年1、4、7、10月天津市14个国控点位PM2.5的小时浓度监测值与模型模拟值的标准化平均偏差(NMB)、标准化平均误差(NME)和相关系数(计算方法见文献[14])。从表1的验证结果可以看出，本研究对天津市PM2.5的模拟中NMB、NME和相关系数等评价指标的数值均与国内外文献报道的模拟效果相近[15-17]，在可接受范围内。

表1 PM2.5模拟值与监测值的统计参数

2.2 “十三五”期间主要措施梳理

“十三五”期间，天津市高度重视大气污染防治工作，深入推进《天津市大气污染防治行动计划》，制定实施《天津市打赢蓝天保卫战三年作战计划(2018—2020年)》，治污减排取得明显成效[18]，大气环境质量持续向好，2020年PM2.5年均质量浓度下降至48 μg/m3，较“十二五”末下降31.4%。本研究归纳整理出天津市“十三五”期间大气污染治理一级措施4类和二级措施27项，同时根据措施含义和数据的可获得性，筛选出可量化的PM2.5浓度改善二级措施25项，具有CO2减排效果的二级措施12项(见表2)。

表2 “十三五”期间PM2.5浓度改善和CO2减排效果评估措施选择1)

2.3 空气质量改善效果评估

2.3.1 主要大气污染物减排量

根据本地化大气污染源排放清单数据，2015年天津市PM10、PM2.5、SO2、NOx、VOCs等5项污染物的年排放总量分别为23.4万、10.7万、20.3万、27.4万、27.5万t，各项污染物主要排放源占比见图1。可以看出，固定燃烧源、工艺过程源、扬尘源是天津市颗粒物的主要排放源；SO2主要来源于工艺过程源和固定燃烧源；NOx主要排放源为固定燃烧源、道路移动源和非道路移动源；VOCs主要来源于工艺过程源和溶剂使用源。

图1 天津市2015年各项大气污染物排放源占比情况

天津市“十三五”期间25项大气污染治理二级措施对PM10、PM2.5、SO2、NOx和VOCs的减排量分别为8.2万、4.4万、5.1万、6.4万、6.1万t。表3为各项措施对污染物的减排贡献占比。结果显示，对PM10减排贡献率较大的措施依次为散煤治理(17.3%)、工业锅炉改燃并网(15.4%)、供热锅炉改燃并网(13.0%)、道路扬尘管控(9.1%)、无组织排放治理(8.4%)。对PM2.5减排贡献较大的前3项措施与PM10一致，分别为散煤治理(25.6%)、工业锅炉改燃并网(13.0%)、供热锅炉改燃并网(11.0%)，另外“散乱污”整治(10.6%)、道路扬尘管控(6.8%)也发挥了较大作用。对SO2减排贡献较大的几项措施主要集中在治理燃煤污染和工业污染方面，分别为工业锅炉改燃并网(22.9%)、散煤治理(22.2%)、供热锅炉改燃并网(18.1%)、电力行业超低排放改造(8.2%)、“散乱污”整治(7.7%)。对NOx减排贡献较大的几项措施除了体现在燃煤和工业污染治理方面外，还包括移动源的治理，措施贡献较大的依次为工业锅炉改燃并网(17.0%)、供热锅炉改燃并网(13.9%)、钢铁企业退出(13.5%)、淘汰老旧车(10.6%)、天津港煤炭转运方式调整(5.9%)。对VOCs减排贡献最大的是VOCs综合治理，占比超过60%，主要得益于近600家重点工业企业完成VOCs治理升级改造或关停、石化和化工行业VOCs泄漏检测与修复以及工业涂装等行业原辅材料替代等。

表3 “十三五”期间各项措施对大气污染物的减排贡献占比

2.3.2 PM2.5改善效果

根据模拟结果，天津市“十三五”期间主要大气污染治理措施使得PM2.5累计下降19.18 μg/m3，其中治理燃煤污染、治理工业污染、治理移动源污染、治理扬尘污染各类一级措施使PM2.5分别下降8.33、7.10、1.80、1.95 μg/m3。从各项二级措施对PM2.5的浓度改善贡献(见图2)来看，以2017—2019年实施的120万户散煤治理措施效果最显著，使PM2.5下降3.51 μg/m3(贡献占比18.3%)。其次是工业锅炉和供热锅炉改燃并网，使PM2.5分别下降2.61、2.13 μg/m3(贡献占比分别为13.6%和11.1%)。除上述3项治理燃煤污染的措施外，治理工业污染措施中的2.2万家“散乱污”整治和3家钢铁大型企业退出也起到较大的作用，分别使PM2.5下降1.83、1.69 μg/m3(贡献占比分别为9.6%和8.8%)。

图2 “十三五”期间各项措施对PM2.5质量浓度改善的贡献

2.4 温室气体减排效果评估

根据核算，2015年天津市CO2排放总量为1.65亿t，来自煤炭(含焦炭)54.4%、油品26.2%、天然气8.2%、外调电力11.1%。从行业来看，工业部门排放占全市CO2排放总量的67.7%，其中钢铁、电力、化工、石化4大行业是主要排放源，占工业CO2排放量比例接近70%。“十三五”期间，天津市CO2排放总量波动趋稳。对表2中列出的12项二级措施分别计算了CO2的减排量(见图3)，结果显示，共实现CO2减排2 323.84万t。其中散煤治理措施包括43万户煤改电、65万户煤改气以及12万户集中供热等治理措施，分别实现CO2减排-38.10万、37.68万、40.94万t，综合减排量为40.52万t。值得注意的是，由于华北电网CO2排放因子较高(0.884 3 kg/(kW·h))，因此煤改电措施的CO2减排量为负值。工业锅炉改燃并网措施包括4 578 t/h工业锅炉改燃、5 310 t/h工业锅炉拆除并网，分别实现CO2减排336.91万、497.80万t，综合减排量为834.71万t。供热锅炉改燃并网措施包括7 734 t/h供热锅炉改燃、4 565 t/h供热锅炉拆除并网，分别实现CO2减排19.44万、149.79万t，综合减排量为169.23万t。清洁能源利用措施包括提高风电、光电等可再生能源发电量(共40亿kW·h)，实现CO2减排300.05万t。

图3 “十三五”期间各项措施对CO2减排的贡献

综合来看，“十三五”期间工业锅炉改燃并网和钢铁企业退出两项措施的CO2减排效果最为明显，分别减排834.71万、699.31万t。其次是清洁能源利用的CO2减排量超过了300万t。鼓励绿色出行和淘汰老旧车等治理移动源污染相关措施也发挥了较大作用，实现CO2减排量总计超过100万t。另外，电力行业超低排放改造措施的CO2减排量为负值，是由于引风机和增压风机阻力增加导致机组供电煤耗的增加，从而增加了CO2的排放。

2.5 空气质量改善和温室气体减排协同控制效益评估

根据协同效益指数计算结果，综合“十三五”期间各项措施对PM2.5浓度改善和CO2减排贡献来看(见图4)，治理燃煤污染的措施协同效益最为明显，其中工业锅炉改燃并网措施的协同效益指数最高，分别对PM2.5浓度改善和CO2减排贡献占比分别为13.6%和35.9%，锅炉燃料由烟煤换为天然气或其他清洁能源，使常规大气污染物和CO2排放因子均显著降低，因此具有较好的协同效益。其次是治理工业污染的钢铁企业退出措施，通过化解钢铁过剩产能，实现大气污染物和CO2排放总量下降，也具有较好的协同效益。控制移动源污染的措施协同效益指数虽多为正，但数值相对较小，协同减排还有较大的空间。

图4 “十三五”期间各项措施对PM2.5质量浓度改善和CO2减排的协同效益

而治理工业污染中的电力行业超低排放改造措施虽然会明显降低大气污染物排放量，但由于能耗提升会增加CO2排放，协同效益指数为负，不具备协同减排效果，因此对于工业污染末端治理需要统筹考虑，在满足超低排放要求的前提下，找到污染物达标排放与节能降耗的合理平衡点，使之并行不悖。另外值得注意的是，散煤治理措施对PM2.5浓度改善的贡献较为显著，但是对CO2减排的效益却不明显，主要与区域电网的电力结构有关，由于火电比例较高而削弱了两者的协同效益，这进一步凸显电力清洁化的重要性。

3 结 语

在空气质量改善和碳中和大背景下，协同治理是中国深化大气污染防治和应对气候变化的必然路径。目前我国大气污染防治管理制度相对健全，且部分措施可起到较好的碳减排协同作用。通过天津市“十三五”期间主要大气污染治理措施对PM2.5浓度改善和CO2减排的协同效益的分析，得出以下几点结论：

(1) “十三五”期间主要大气污染治理措施的空气质量改善效果显著，使PM2.5质量浓度下降19.18 μg/m3。其中以散煤治理、工业锅炉改燃并网和供热锅炉改燃并网的贡献最为明显，分别使PM2.5浓度下降18.3%、13.6%、11.1%。

(2) 部分大气污染治理措施对CO2的减排量为2 323.84万t。其中以工业锅炉改燃并网、钢铁企业退出、清洁能源利用的CO2减排效果最为明显，分别减排834.71万、699.31万、300.05万t。

(3) “十三五”期间主要大气污染治理措施中，以工业锅炉改燃并网和钢铁企业退出措施对PM2.5浓度改善和CO2减排的协同效益较为显著。散煤治理措施对PM2.5浓度改善有较大贡献，但对CO2减排效益不明显，主要与区域电网的电力结构有关。电力行业超低排放改造措施的协同效益为负，原因在于能耗提升导致CO2排放增加。

值得讨论的是，虽然超低排放改造由于设备电耗增加和系统阻力增加风机电耗而带来直接的CO2排放增加，但通过环保设施运行优化、深度余热利用改造等措施可一定程度上降低系统能耗从而减小增碳效应。目前，钢铁行业正在加快推进超低排放改造，与电力行业不同，钢铁行业超低排放改造不仅是烟气脱硫、脱硝、除尘等末端治理，而是包括有组织排放、无组织排放和运输环节在内的全流程超低排放改造，通过实施烧结机头烟气循环、清洁运输改造等措施，抵消末端治理增加的碳排放量从而使减污降碳相协同具有一定的可能性，因此未来水泥等非电行业超低排放改造的协同效益值得进一步探讨。

整体来看，“十四五”期间应以实现大气污染防治和CO2减排两方面目标为前提，统筹制定政策措施，推动改善环境质量从注重末端治理向更加注重源头预防转变，实现协同增效，做到空气质量改善和温室气体减排的双赢。