船舶大型化對(duì)大氣污染物排放的影響

錢芳

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071）

船舶大型化對(duì)大氣污染物排放的影響

錢芳

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071）

對(duì)船舶大型化與船舶大氣污染物排放量的關(guān)系進(jìn)行了研究。通過對(duì)船舶行駛狀態(tài)、主輔機(jī)信息、負(fù)載因子、低負(fù)載校正因子、排放因子及燃油校正因子等多要素分析，推導(dǎo)了船舶排放強(qiáng)度的計(jì)算式。選取3艘不同噸位的集裝箱船進(jìn)行比較，結(jié)果表明：在船舶載箱率較高時(shí)，大型船舶可以減少污染物的排放。當(dāng)船舶滿載時(shí)，船舶污染物單位排放達(dá)到最低。

船舶大型化；大氣污染物；船舶排放

1 引言

航運(yùn)承擔(dān)了全球近90%的貨物運(yùn)輸，其在國際貿(mào)易和世界經(jīng)濟(jì)中的作用越來越顯著［1］。航運(yùn)運(yùn)輸量日益增長的同時(shí)，帶來的大氣污染也同樣引起了人們的廣泛關(guān)注。工業(yè)是最主要的大氣污染來源，占總污染的52%，運(yùn)輸為27%［2］。船舶排放的氣體和顆粒成分對(duì)環(huán)境和人類的身體健康有著嚴(yán)重的不良影響［3］。

由于船舶排放量的不斷增加，眾多國際組織紛紛出臺(tái)公約以減少船舶大氣污染物的排放。國際海事組織（IMO）MARPOL 73/78附則第VI條規(guī)定就致力于減少NOX、SO2、PM的排放，它規(guī)定了2015年1月后，燃油的含硫量不能超過0.10%［4］。

船舶排放的污染物對(duì)環(huán)境的不利影響及國內(nèi)外對(duì)船舶排放的日益關(guān)注，使船舶減排迫在眉睫。國內(nèi)外許多學(xué)者研究了船舶減排措施［5］。有學(xué)者研究了船舶大型化與成本的關(guān)系，即規(guī)模效益。這些研究主要側(cè)重于分析建造大型船舶的經(jīng)濟(jì)利益，卻極少有研究分析船舶大型化與船舶尾氣排放的關(guān)系。本文將在以往研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)比幾艘不同噸位等級(jí)的集裝箱船的尾氣排放來分析船舶大型化對(duì)船舶尾氣排放的影響。

2 模型描述

2.1 模型的提出

本模型的目標(biāo)是計(jì)算不同噸位等級(jí)的船舶尾氣排放量，從而研究船舶大型化與尾氣排放的關(guān)系。由于不同噸位等級(jí)的船舶載貨能力不同，為了便于比較，本文著重于船舶在單個(gè)往返航次中大氣污染物單位排放量，即每噸貨物每海里的排放量或每箱貨物每海里的排放量。

船舶在港口i和j之間的往返航次，該過程包含3種行駛狀態(tài)：海上航行、進(jìn)出港和停泊。不同狀態(tài)下主機(jī)和輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不同，單位排放量也不同。對(duì)于一個(gè)往返航次，船舶大氣污染物的單位排放量取決于運(yùn)輸航線、船舶載重量、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃料類型和船舶營運(yùn)條件等因素。

船舶在單個(gè)往返航次中污染物排放量ET:

式中：Emi、Emj-船舶進(jìn)出港口i和j的排放量；Ec-從港口i到j(luò)或港口j到i海上航行中的排放量；Ebi、Ebj-在港口i和j停泊期間的排放量。

由下而上的動(dòng)力法中，船舶主輔機(jī)的排放用公式（3）進(jìn)行計(jì)算[6]：

式中：E-污染物排放量；P-主機(jī)或輔機(jī)的額定功率；LF-負(fù)載系數(shù)；EF-排放因子；T-運(yùn)行時(shí)間。

然而，船舶主機(jī)在低負(fù)載時(shí)的排放量會(huì)顯著增加，燃油含硫量不同也會(huì)導(dǎo)致污染物的排放量發(fā)生變化，因此，本文采用了低負(fù)載校正因子和燃油校正因子來對(duì)船舶排放進(jìn)行調(diào)整。

在航行狀態(tài)下，主輔機(jī)都運(yùn)行，船舶排放如下：

式中：ME、AE-船舶主機(jī)和輔機(jī)最大持續(xù)功率，近似額定功率；LFME、LFAE-主機(jī)和輔機(jī)的負(fù)載系數(shù)；EFME、EFAE-主機(jī)和輔機(jī)排放因子；FAMME、FAMAE-主機(jī)和輔機(jī)燃油調(diào)節(jié)因子；Tc-從港口i到j(luò)或港口j到i的航行時(shí)間。

進(jìn)出港過程中，主輔機(jī)都運(yùn)行。船舶進(jìn)/出港口i或j過程中產(chǎn)生的污染物排放為：

式中：Emi-進(jìn)/出港口i產(chǎn)生的排放量；Tmi-進(jìn)/出港口i所需時(shí)間；Emj-進(jìn)/出港口j產(chǎn)生的排放量；Tmj-進(jìn)/出港口j所需時(shí)間。

停泊時(shí)，只有輔機(jī)運(yùn)行。船舶在港口i或j停泊過程中產(chǎn)生的污染物排放量分別為：

式中：Ebi-在港口i停泊期間產(chǎn)生的污染物排放量；Tbi-在港口i停泊時(shí)間；Ebj-在港口j停泊期間產(chǎn)生的排放量；Tbj-在港口j停泊時(shí)間。

2.2 船舶特性

從式（4）-式（8）可以看出，船舶在各行駛狀態(tài)下的尾氣排放量與船舶主輔機(jī)的額定功率、負(fù)載、運(yùn)行時(shí)間等因素密切相關(guān)。其中可在勞氏船級(jí)社查詢船舶主尺度、運(yùn)力、主機(jī)的型號(hào)和額定功率、船速等信息。由于國際海事組織不要求船東提供輔機(jī)的信息，當(dāng)該信息缺失時(shí)，將難以計(jì)算輔機(jī)的污染物排放量。以往的研究是假設(shè)輔機(jī)功率占主機(jī)功率的百分比[7]。加州空氣資源委員會(huì)研究給出不同船型輔機(jī)相對(duì)于主機(jī)的平均百分比[8]，見表1。

表1 不同類型船舶輔機(jī)功率與主機(jī)功率平均比值

2.3 負(fù)載系數(shù)

2.3.1 主機(jī)負(fù)載系數(shù)。負(fù)載系數(shù)是船舶在某一狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率占發(fā)動(dòng)機(jī)最大持續(xù)功率的比值。勞氏船級(jí)社數(shù)據(jù)庫中假定船舶的海上航行速度為最大設(shè)計(jì)航速的94%。船舶正常航行時(shí)，負(fù)載系數(shù)為83%。航速低于正常航行速度時(shí)，主機(jī)負(fù)載系數(shù)將會(huì)減少。根據(jù)螺槳定律，航速較低時(shí)主機(jī)負(fù)載系數(shù)[6]：

式中：AS-實(shí)際航行速度；MS-最大設(shè)計(jì)航速。

2.3.2 輔機(jī)負(fù)載系數(shù)。輔機(jī)負(fù)載系數(shù)與船舶種類及行駛狀態(tài)相關(guān)。通過調(diào)查，Starcrest給出了不同類型船舶在不同行駛狀態(tài)下的輔機(jī)負(fù)載系數(shù)，見表2［6］。

表2 輔機(jī)負(fù)載系數(shù)

2.4 排放因子

2.4.1 主機(jī)排放因子。船舶主機(jī)排放因子表示主機(jī)每提供1kWh的能量時(shí)，排放的各污染物成分的量。Entec在綜合分析計(jì)算并提出了船舶主機(jī)的排放因子[9]，見表3。

表3 主機(jī)排放因子

值得注意的是，由于遠(yuǎn)洋船舶的主機(jī)基本為低速和中速柴油機(jī)，Entec沒有研究高速柴油機(jī)的排放因子。低速柴油機(jī)、中速柴油機(jī)和高速柴油機(jī)的區(qū)分主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.4.2 輔機(jī)排放因子。船舶輔機(jī)排放因子表示輔機(jī)每提供1kWh的能量時(shí)，排放的各污染物成分的量，見表4[6]。

表4 輔機(jī)排放因子/g·kWh-1

2.5 低負(fù)載校正因子

一般情況下，柴油機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)效率不高，主機(jī)燃油消耗將排放更多的污染物。在負(fù)載低于20%時(shí)，柴油機(jī)的效率會(huì)急速降低。能源和環(huán)境分析公司（EEA）推導(dǎo)出柴油機(jī)在低負(fù)載狀況下排放因子的計(jì)算方法。Starcrest根據(jù)EEA的研究，給出了低負(fù)載校正因子，見表5[6]。

2.6 燃油校正因子

當(dāng)船舶使用的燃油含硫量不同時(shí)，主、輔機(jī)各污染物成分的單位排放量將會(huì)發(fā)生變化，見表6。

在上述各因素確定后，即可計(jì)算各船舶在一個(gè)往返航次中的單位污染物排放量?？梢詫?duì)比不同噸位船舶的單位排放量，來研究船舶大型化對(duì)船舶污染物排放的影響。

表5 低負(fù)載校正因子

表6 燃油校正因子

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)例描述

本文選取了三艘不同噸級(jí)的集裝箱船進(jìn)行比較分析，具體參數(shù)見表7。

表7 三艘集裝箱船的具體參數(shù)

為了比較三艘集裝箱船的單位排放量，作以下假設(shè)：（1）三艘集裝箱船均從事上海洋山港到荷蘭鹿特丹港的班輪運(yùn)輸。查得：洋山港和荷蘭鹿特丹港之間的航線距離為11 987海里；（2）單個(gè)往返航次中，三艘集裝箱去程和返程載箱率均為90%；（3）三艘集裝箱船主輔機(jī)均使用含硫量為1.5%的柴油；（4）船舶海上航行速度根據(jù)勞氏船級(jí)社數(shù)據(jù)庫的假設(shè)，假定為最大設(shè)計(jì)航速的94%；（5）勞氏船級(jí)社數(shù)據(jù)庫中未提供三艘船舶的輔機(jī)功率，根據(jù)表1，假設(shè)三艘集裝箱船的輔機(jī)功率為主機(jī)功率的22%；（6）上海洋山港和荷蘭鹿特丹港均為24h作業(yè)，集裝箱裝/卸效率均為500TEU/h，貨物卸完后立即裝貨；（7）船舶進(jìn)/出上海港所需時(shí)間平均為1h,進(jìn)/出鹿特丹港所需時(shí)間平均為2h。

3.2 計(jì)算分析

基于以上假設(shè)，三艘不同噸位的集裝箱船各行駛狀態(tài)單個(gè)往返航次的總排放量和單位排放量見表8。從表8中可以看出，單從單個(gè)往返航次來說，越大的船舶污染物排放總量越多。通過對(duì)比表8中單位排放量可知，無論何種污染物，越大的船舶單位排放量越小。

圖1以船1為基準(zhǔn)，對(duì)三艘船舶的單位排放量進(jìn)行比較，船2各污染成分的單位排放量基本維持在船1的76%，船3各污染成分的單位排放量基本維持在船1的58%。

表8 三艘集裝箱船的污染物排放/t

因此，在貨物運(yùn)輸需求較大，貨運(yùn)量充足時(shí)，使用大型船舶進(jìn)行運(yùn)輸產(chǎn)生的污染物排放將大大減少，船舶大型化不僅使貨物運(yùn)輸產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)上的規(guī)模效益，還減低了船舶的污染物，可以有效減少船舶對(duì)環(huán)境、人類健康的影響。

圖1 三艘船舶污染物排放比較

3.3 對(duì)裝箱量的敏感性分析

從圖1可看出，載箱量為90%時(shí)，隨著船舶的大型化，排放的各污染成分變化趨勢相同。本文僅以CO2來做裝箱量的敏感性分析。

圖2表示三艘集裝箱船單位排放量與載箱量之間的關(guān)系。隨著載箱量增加，三艘船CO2單位排放量都不斷減少。滿載時(shí)，三艘船舶CO2單位排放量都達(dá)到最低。最低單位排放量方面（單位：g/TEU/nm），船1為201.4。船2為152.9，是船1的76%；船3為117.1，是船1的58%。

圖2 裝箱量的敏感性分析

當(dāng)載箱量較少時(shí)，大型船舶單位排放量比小型船舶多，無法獲得減排效果。如載箱量小于5 050TEU時(shí)，使用船1運(yùn)輸將產(chǎn)生更少的排放。

但若能保證船舶具有較高的載箱率，大型船舶將獲得巨大的減排效果。只要船2的載箱率超過79.96%，船2的單位排放就會(huì)低于船1單位排放的最低值；船3的載箱率超過58.16%時(shí)，船3的單位排放也低于船1單位排放的最低值。因此，若大型船舶能夠運(yùn)輸足夠數(shù)量的集裝箱，污染物的排放量將遠(yuǎn)低于小型船舶。

4 結(jié)語

通過對(duì)比三艘不同噸位的集裝箱船，研究了船舶大型化與船舶污染物排放之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在船舶載箱率較高時(shí)，大型船舶可以減少污染物的排放。當(dāng)船舶滿載時(shí)，三艘船舶污染物單位排放都達(dá)到最低，9 964TEU集裝箱船的單位排放約比5 050TEU集裝箱的單位排放減少24%，13 800TEU集裝箱船比5 050TEU集裝箱船的單位排放少42%。因此，船舶大型化不僅實(shí)現(xiàn)了規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，也實(shí)現(xiàn)了良好的減排效果。

[1]Unctad.Review of maritime transport:United Nations[M].Geneva,CH:United Nations Publication,2011.

[2]Deniz C,Kilic A,Civkaroglu G.Estimation of shipping emissions in Candarli Gulf,Turkey[J].Environ Monit Assess,2010, 171:219-228.

[3]Avol E L,Gauderman W J,Tan S M,et al.Respiratory effects of relocating to areas of differing air pollution levels[J].American journal of respiratory and critical care medicine,2001,164(11): 2 067-2 072.

[4]Lattila L,Henttu V,Hilmola O P.Hinterland operations of sea ports do matter:Dry port usage effects on transportation costs and CO2emissions[J].Transportation Research Part E:Logistics and Transportation Review,2013,55:23-42.

[5]Alvik S,Eide M S,Endresen O,et al.Pathways to low carbon shipping-Abatement potential towards 2030[R].2009.

[6]Browning L,Bailey K.Current methodologies and best practices for preparing port emission inventories[R].2006.

[7]Environ International Corporation,Commercial marine emission inventory development[R].2002.

[8]Air Resources Board.2005 Oceangoing Ship Survey,Summary of Results[R].2005.

[9]Whall C,Cooper D,Archer K,et al.Quantification of emissions from ships associated with ship movements between ports in the European Community[R].2002.

Influence Vessel Enlargement on Emissions of Atmospheric Pollutants

Qian Fang
(Qingdao Ocean Shipping Mariners College,Qingdao 266071,China)

In this paper,we studied the relationship between vessel enlargement and the emissions of atmospheric pollutants.Through analyzing such elements as the vessel navigation status,the information of the main and auxiliary engines,the load factor,the low load correction factor,emissions factor and fuel correction factor,etc.,we deduced the formula for the calculation of the emissions intensity of the vessels.Then by comparing three container vessels of different tonnage,we found that the higher the packing ratio is,the less will pollutants be emitted by the large vessels.

vessel enlargement;atmospheric pollutant;vessel emissions

X51

A

1005-152X(2016)12-0104-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.12.025

2016-10-28

錢芳（1982-），女，遼寧鞍山島人，青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院講師，研究方向：物流工程、物流技術(shù)。