行业污染物与碳减排的协同效应及路径优化

导语：重点行业减污降碳协同增效是落实我国“双碳”目标的重要举措，需求十分迫切。钢铁、水泥、火电等重点行业大气污染物与CO2排放量巨大，跨介质复合污染严重、排放机理复杂，行业减污降碳面临协同效应机理不明、理论与方法体系不完善等挑战。同时，重点行业节能减排指标日益增多、日趋严格，同样面临巨大的减污降碳压力。亟需开展科学研究，解答“如何表征减污降碳协同效应及优化路径”和“如何揭示效率的空间异质性及精准管理路径”两大科学问题，完善细化工业减污降碳实施路径，以期为推进行业减污降碳协同增效提供参考。

一、减污降碳协同效应及路径优化：构建研究路线

为回答上述科学问题，研究团队构建了工业减污降碳协同路径研究技术路线（图），在以下四方面开展了系列科学研究，具体框架如下：

图. 研究技术路线图

1、工业减污降碳综合措施的系统模拟 

以2017年为基准年，2025/2030/2035年为优化年，研究团队搭建了基于自底向上建模（原料-工艺-措施-产品/废弃物）的钢铁、水泥、火电等工业重点行业三类七项减污降碳管理措施系统（表1），并识别了9项共性技术。研究团队通过计算进一步实现了传统三类六项管理措施（行业规模控制、原料-产品结构升级、主体工艺结构升级、清洁生产技术推广、末端治理技术推广、共生技术推广）的节能、减排和经济效益的数值化表征。

表1. 工业减污降碳管理措施系统

2、工业减污降碳路径高维多目标优化

基于行业污染物和碳排放的冲突关系（碳/污染物减排导致其他环境指标排放的提升）与其共生效益普遍并存的科学认知，研究团队创立了协同效应理论，通过优化变量（175项减污降碳措施）、目标（18维）、约束条件（逻辑、工艺-技术匹配等5项约束）等模型输入，在基于行业协同节能减排优化模型中引入基于目标分解的NSGA-II-ELECTRE-III复合算法，并利用基于Vague集的不同目标偏好样本筛选，最终形成综合优化路径。

3、工业地市级减污降碳管理效率评估

基于各行业产能分布、主体工艺设备结构、末端治理技术效率等多源数据，研究团队测算各地市的能耗、碳排放及污染排放现状，设定投入产出变量，并利用基于松弛变量的求解方法，识别各行业效率较高地区。

4、地市级减污降碳实施路径及效益测算

研究团队设置了不同碳达峰目标情景（2025年前达峰、2030年前达峰），提出地市级减污降碳实施路径，并评估了火电行业各地市在2019-2035年减污降碳效益及经济成本。

二、减污降碳协同效应及路径优化：分析研究结果

研究团队利用上述技术路线开展了系列研究，得出以下四个主要结论：

1、节能和减污目标实现路径呈现较大差异

就减污降碳管理措施而言，行业规模控制和共生技术推广措施对实现节能目标贡献较大；原料-产品结构升级和共生技术推广措施的二氧化硫减排效果较好；末端治理技术推广的氮氧化物和烟粉尘减排效果较好。此外，共生技术推广措施显著拓展了节能减污空间。

2、需加强重点减污降碳协同措施的推广及应用

应注重重点减污降碳措施的推广（表2），并关注部分措施目标冲突风险（如生物质燃料应用技术的碳减排-节能目标冲突，氢能还原铁、大型煤电机组等设备的节能减排-经济收益冲突）。

表2. 工业减污降碳重点推广措施

3、不同地市的行业减污降碳管理效率存在明显差异

对于钢铁行业，炼铁工序在京津冀地区减污降碳管理效率较高；对于水泥行业，熟料煅烧工序在长江中下游城市群效率较高；河套平原和东南沿海城市的火电行业减污降碳效率较高，但由于该地区属于高能耗/排放地区，潜力空间和经济性未必显著。

4、应因地制宜制定减污降碳目标及实施路径 

对于火电行业，需科学推断火电行业各地市碳达峰时间，制定差异化的达峰时间目标，实施一地一策，推进有条件地市率先达峰，对于在2030年前达峰有风险的94个地市，合理制定目标，避免“冲锋式”减排，支撑“双碳”目标全局统筹、科学有序推进。

三、未来研究展望

上述研究为行业减污降碳管理及政策制定提供了决策支撑，未来我国应持续开展相关研究，在“双碳”目标约束下的工业减污降碳管理平台开发、自上而下模型与自底向上模型的耦合连接、CCUS工艺系统优化调控及区域应用路径研究三方面加强工作（表3），全面推进减污降碳工作。

表3. 未来研究工作

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