硫排放控制區(qū)內(nèi)船舶減排措施及效益分析

丁方平

（青島遠洋船員職業(yè)學院，山東 青島 266071）

硫排放控制區(qū)內(nèi)船舶減排措施及效益分析

丁方平

（青島遠洋船員職業(yè)學院，山東 青島 266071）

針對日趨嚴格的排放控制區(qū)（ECA）船舶尾氣排放法規(guī)，安裝海水脫硫裝置、使用輕油（MGO）、聯(lián)合使用MGO和岸電為3種可選擇的方案。分析了不同方案的成本及環(huán)境效益，并引用投資收益比指標進行評價，環(huán)境監(jiān)管部門和船東可以根據(jù)結果科學制定船舶的減排措施。結果表明，投資收益比取決于ECA內(nèi)航行距離、重油（HFO）和MGO的差價以及岸電成本等多種因素。

海洋環(huán)境；硫排放控制區(qū)；減排措施；效益分析

1 引言

航運在國際貿(mào)易和世界經(jīng)濟中的作用日益顯著，但其給環(huán)境帶來的負面影響亦引起了社會的廣泛關注，眾多國際組織紛紛出臺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2015年1月后硫排放控制區(qū)（SECA）內(nèi)船舶燃油的含硫量不能超過0.10%[1]。我國交通運輸部發(fā)布的《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實施方案》在中國沿海地區(qū)劃定了3個ECA，規(guī)定2019年前進入ECA范圍內(nèi)的船舶在停泊期間使用的燃油含硫量不高于0.5%，2019年起船舶在ECA范圍內(nèi)使用的燃油含硫量不高于0.1%，或采用一些等效替代措施來減少排放，包括尾氣處理裝置、岸電、清潔能源等[2]。

諸多學者對3種等效替代措施進行了研究。李文[3]研究了鎂法、氨法、海水法等船舶尾氣脫硫工藝的機理和可行性；朱益民[4]歸納了包括替代燃油、船舶廢氣脫硫技術等在內(nèi)的船舶硫氧化物控制方法，并重點概述舶廢氣脫硫技術的研究進展；Seddiek[5]、Tzannatos[6]、Adamo[7]等計算了船舶使用岸電的減排潛力；周松[8]對船舶使用低硫燃油、廢氣洗滌技術等技術方案的成本、環(huán)境影響、技術可行性進行了研究；楊富龍[9]分析了低硫燃油的特點，提出船舶進入SECA后換用低硫燃油的技術措施。

然而，極少有學者綜合對比不同措施的有形成本以及定量分析不同措施由于減排帶來的環(huán)境效益。對于一艘特定船舶，采取何種措施才能保證以較少的成本帶來較大的社會環(huán)境效益還有待研究。因此，本文將分析不同措施的成本，并采用自下而上的動力法計算不同措施的大氣污染物排放量，以量化不同措施帶來的環(huán)境效益，最終采用投資收益比指標對不同減排方案進行評價，這將有助于環(huán)境監(jiān)管部門或船東對船舶減排措施的采納做出科學決策。

2 船舶減排措施簡介

2.1 海水脫硫工藝

海水脫硫工藝的原理是利用天然海水中的可溶鹽對煙氣中的SO2的吸附作用來達到煙氣的凈化目的[10]。海水脫硫工藝大約能減少98%的SO2排放和55%的PM排放[11]，該工藝受到沿海國家的重視，目前已被廣泛用于發(fā)電廠、煉油廠等工業(yè)鍋爐。為了減少船舶尾氣排放，海水脫硫工藝也被逐漸用于船舶上。

2.2 使用輕油

另一種方案是用MGO（0.1%S）替代HFO（3.5%S）。由于MGO含硫量較少，燃用MGO能直接減少硫排放。MGO替代HFO不需要額外的技術投資，主要增加的是油耗成本。由于MGO價格較高，為了節(jié)約成本，船東可以在進入ECA和靠泊時燃用MGO，在其余航段燃用HFO。

2.3 岸電技術

船舶岸電技術指船舶在靠泊期間，關閉船舶發(fā)動機，改用碼頭上的電源供電。船上的備用岸電箱通過連接電纜與碼頭上的岸電箱相連，實現(xiàn)對船舶的供電。在靠泊期間，相對于使用重油，船舶使用岸電能大幅減少大氣污染物的排放[12]。目前，國外一些先進港口已經(jīng)采用了岸電技術，包括洛杉磯港、哥德堡港、鹿特丹港等，我國的上海港、蛇口港等也建成了岸電系統(tǒng)。

3 不同措施的成本-效益分析

3.1 成本分析

3.1.1 海水脫硫工藝成本。船舶安裝海水脫硫工藝后，即使燃用含硫量較高的HFO，SO2的排放量仍可減少98%。海水脫硫工藝的成本主要是安裝設備時的初始投資以及年運營維護費用，見表1[11]。

表1 海水脫硫工藝成本

3.1.2 使用輕油成本。船舶從HFO轉換成MGO，不需要額外的初始投資。主要的成本變化是使用較貴的MGO后增加的油耗成本，即:

由于不同燃油熱值不同，船舶燃油消耗量會有一定差別，但目前沒有文獻在該方面展開進一步研究。本文參照《運輸船舶燃油消耗量第1部分：海洋船舶計算方法》（GB/T 7187.1-2010），假設船舶燃用MGO或HFO的耗油量相同，耗油量估算方法為：

式中：a—船舶載重量對主機燃油消耗量的影響系數(shù)，見表2[13]；D1、D0—船舶實際載重量和額定載重量，t；Pm、Pa—主、副機額定功率，kW；LFmj、LFaj—主、副機在第j種工況下的負載系數(shù)；gm、ga—主、副機額定功率燃油消耗率，g·kWh；tj—船舶第j種工況的運行時間，h。

表2 船舶載重量對主機燃油消耗量的影響系數(shù)

3.1.3 岸電成本。對于船舶而言，采用岸電系統(tǒng)成本主要包括購買及安裝電氣設備產(chǎn)生的初始投資以及年運營維護費用，見表3[5]。船舶在靠泊過程中使用電力會節(jié)約一定的能耗成本。

表3 岸電成本

3.2 環(huán)境效益分析

大氣污染物對動植物、建筑物等都有負面影響，治理這些污染物需要巨資。將大氣污染物治理費用和經(jīng)濟損失視為其環(huán)境成本，見表4［14］。

表4 大氣污染物的環(huán)境成本

不同措施將在一定程度上減少大氣污染物的排放，可將減少的大氣污染物轉換為經(jīng)濟價值，即環(huán)境效益。不同措施帶來的環(huán)境效益為：

式中：s—不同的減排方案；EBs—方案s年平均環(huán)境效益，$；k—大氣污染物的種類；DEsk—采用方案s一年減少的k污染物排放量，t；ECk—k污染物的單位環(huán)境成本，$·t。

3.3 成本-效益分析

不同措施的成本構成不同，海水脫硫工藝和岸電都需要一次性的設備購置費用和安裝費用投入，以及每年支出的運營維護成本，而使用MGO不需要初始投資，主要成本為使用MGO后每年產(chǎn)生的替代成本。由于海水脫硫工藝和岸電等設備的使用年限可能不同，為了便于對比各種措施，將成本均攤到各年份，即轉化為年平均總成本：

式中：ATCs—方案s的年平均總成本，$；ICs—方案s的一次性初始投資，$；ACs—方案s的年運營維護成本或替代成本，$；r—折現(xiàn)率；i—設備使用年限。

則不同措施年平均收益為：

式中：EANBs—方案s的年平均收益，$；EANBs的值越高，說明產(chǎn)生的社會效益越高。

此外，由于不同措施的投入與收益值都不盡相同，本文引入投資收益比，以比較不同措施的資金利用效率，計算公式為：

式中：IRs—方案s的投資收益比，IRs的值越高，說明方案的資金利用效率越高。

在ATCs、EANBs、IRs三個指標中，不同責任方可能會選擇不同的指標來衡量各措施的優(yōu)劣。船東從以最小成本滿足ECA內(nèi)相關規(guī)定的角度出發(fā)，可能會選用ATCs指標。而社會相關公益部門從社會效益最大化角度出發(fā)，可能會選用EANBs和IRs指標評價不同措施。

4 船舶尾氣排放計算方法

4.1 尾氣排放計算方法

船舶大氣污染物排放計算方法主要包括兩種：自上而下統(tǒng)計法（Top-to-down）和由下而上動力法（Bottomto-up）。自上而下統(tǒng)計法是從宏觀層面出發(fā)，根據(jù)船舶消耗的燃油量直接乘以排放因子計算出大氣污染物排放量；由下而上動力法是從微觀層面出發(fā)，根據(jù)船舶主副機不同工況下的功率、時間等因素分別計算各階段的大氣污染物排放量?？紤]到不同計算方法的特點，本文采用由下而上動力法計算船舶尾氣排放量。

船舶一個往返航次包括巡航、進出港、靠泊3種工況。在3種工況下，副機一直處于運行狀態(tài)，主機在海上航行和進出港過程中運行，在停泊時關閉，此時由副機提供船舶停泊過程中空調(diào)、制冷、采暖、照明等活動所需的能量。對于一個往返航次，船舶大氣污染物的排放量取決于運輸航線、船舶載重量、發(fā)動機功率、燃料類型和船舶營運條件等因素[15]。根據(jù)由下而上動力法，船舶一個航次的大氣污染物排放量為：

式中：Ek—單航次中第k種污染物的排放量，t；EFmk、EFak—主、副機關于第k種污染物的排放因子，g·kWh；LLAM—低負載校正因子，F(xiàn)AM—燃油校正因子。

4.2 主、副機功率

船舶主尺度、運力、主機型號和主機額定功率等信息可在勞氏船級社中查得。加州空氣資源委員會統(tǒng)計出不同船型船舶副機功率相對于主機功率的平均百分比[16]，見表5。

表5 不同類型船舶副機功率與主機功率平均比值

4.3 主、副機負載系數(shù)

船舶正常海上航行時，主機負載系數(shù)為常數(shù)83%，而航速低于正常航行速度時，主機負載系數(shù)將會降低，此時，主機負載系數(shù)計算公式為[17]：

式中：AS—船舶實際航行速度，Knot；MS—船舶最大設計航速Knot。

副機負載系數(shù)與船舶的種類以及行駛狀態(tài)相關。不同航行狀態(tài)下的副機負載系數(shù)見表6[17]。

表6 副機負載系數(shù)

4.4 排放因子

本文參考Entec的研究，主、副機的排放因子見表7[17]。船舶靠泊連接岸電后，雖然主、副機停止工作，但是發(fā)電站提供電能也會產(chǎn)生大氣污染物排放，在考慮社會環(huán)境效益時，這部分排放也需考慮在內(nèi)。火力發(fā)電排放因子[18]見表7。

表7 主、副機及火力發(fā)電排放因子

在主機負載低于20%時，部分大氣污染物排放量會相應上升，此時需要引入低負載校正因子對主機排放因子進行校正。此外，表7中主、副機排放因子的確定均基于含硫量為3.5%的燃油。

5 實例分析

5.1 船舶及運營信息

船舶MSC Linzie從事港口A和港口B之間的集裝箱班輪運輸，船舶參數(shù)見表8，兩港均位于硫排放控制區(qū)內(nèi)，航線距離約為1 000海里，船舶各航次載箱率為90%，載重量為額定載重量的80%，在日常運營中，船舶在硫排放控制區(qū)的行駛距離為整個航次的30%，海上航行航速為最大設計航速的94%，離岸12海里備車機動航行進/出港，平均航速為6節(jié)，在各港口均為24h作業(yè)，集裝箱裝/卸效率均為500TEU/h，貨物卸完后立即裝貨，主副機之前均使用含硫量為3.5%的HFO?，F(xiàn)有以下方案可使船舶尾氣排放滿足ECA的相關法規(guī)：（1）ECA區(qū)域內(nèi)開啟海水脫硫裝置；（2）ECA區(qū)域內(nèi)使用MGO（含硫量為0.1%）；（3）ECA區(qū)域內(nèi)航行階段使用MGO、靠泊階段使用岸電?，F(xiàn)通過計算不同方案的成本和環(huán)境效益，選出投資收益比最高的為候選方案。

表8 船舶信息

5.2 成本-效益分析

已知：r=6%；HFO和MGO參考2016年4月22日上海港的價格，分別為208/$·t-1和470/$·t-1。計算得出不同方案的成本、年環(huán)境效益、年平均收益以及投資收益比等指標，計算結果見表9。

表9 不同方案的成本-效益對比

根據(jù)表9，對于船MSC Linzie，采用海水脫硫工藝的投資收益比高達32.90，為最優(yōu)方案。

在成本方面，海水脫硫工藝的初始投資高，但其年運營維護成本極低，平均每年僅需耗費708 471美元。而對于ECA內(nèi)使用MGO或聯(lián)合使用MGO和岸電兩種方案，雖然不需要初始投資或初始投資較低，但是，由于船舶整個航次中有30%在ECA內(nèi)航行，使用價格高昂的低硫燃油會產(chǎn)生巨大的替代成本，導致兩種方案的年平均總成本高達3 509 355美元和3 277 683美元，約為海水脫硫工藝的5倍。

在環(huán)境效益方面，聯(lián)合使用MGO和岸電的減排效果最好，環(huán)境效益最高，最終年平均收益也最高。但是從資金利用效率角度出發(fā)，ECA內(nèi)使用海水脫硫工藝，僅需極少的投資就能帶來巨大的環(huán)境效益，投資收益比最高。因此，ECA內(nèi)使用海水脫硫工藝為最優(yōu)方案。

5.3 敏感性分析

不同方案的成本和環(huán)境收益受諸多因素的影響。對于所有方案，在ECA區(qū)域內(nèi)的行駛距離將對成本和環(huán)境收益產(chǎn)生直接影響；方案2、3中MGO和HFO的差價是基于上海港2016年4月22日的數(shù)據(jù)，由于燃油價格波動非常大，具有不確定性。此外，對于方案3，使用岸電成本的變化也會使年平均成本發(fā)生變化，導致投資收益比變化?，F(xiàn)本文需要對ECA內(nèi)航行距離、燃油差價、岸電成本等因素進行敏感性分析。

5.3.1 ECA內(nèi)航行距離敏感性分析。ECA內(nèi)航行距離敏感性分析結果如圖1所示。采用海水脫硫工藝的投資收益比隨著船舶在ECA內(nèi)航行距離占整個航次比例的增加而增長，而其余兩個方案的投資收益比不斷降低。對于案例船舶，在ECA范圍內(nèi)航行比例小于9.7%時，聯(lián)合使用低硫燃油和岸電的投資收益比最高，否則使用海水脫硫工藝的投資收益比最高。

圖1 ECA內(nèi)航行距離敏感性分析

5.3.2 燃油差價敏感性分析。燃油差價敏感性分析結果如圖2所示。燃油差價的變動不改變海水脫硫工藝的投資收益比。使用MGO、聯(lián)合使用MGO和岸電兩種措施的投資收益比隨MGO和HFO差價的增加而降低。對于案例船舶，當燃油差價低于77.6$/t時，聯(lián)合使用低硫燃油和岸電的投資收益比最高；當燃油差價高于77.6$/t時，ECA區(qū)域內(nèi)使用海水脫硫工藝的投資收益比最高。

5.3.3 岸電成本敏感性分析。燃油發(fā)電和岸電成本差敏感性分析結果如圖3。對于30%的航次都在硫排放控制區(qū)的MSC Linzie來說，使用岸電節(jié)約的成本僅占極小的比例，岸電成本的變化對各方案的投資收益比幾乎沒有影響，無論岸電成本如何變化，使用海水脫硫工藝的投資收益比始終保持最高。

圖2 油價差敏感性分析/$·t-1

圖3 燃油發(fā)電和岸電成本差敏感性分析

6 結語

在成本支出方面，海水脫硫工藝初始投資最高，聯(lián)合使用MGO和岸電次之，使用MGO無需額外的初始投資。但是，海水脫硫工藝的年運營維護費用遠低于其余兩種方案，當船舶日常運營航線經(jīng)過ECA區(qū)域的范圍較大時，海水脫硫工藝成本支出將遠小于其它方案。

在環(huán)境效益方面，ECA區(qū)域內(nèi)航行階段使用MGO、靠泊階段使用岸電的減排效果最好，能大量減少大氣污染物的排放，帶來巨大的環(huán)境效益。

綜合考慮資金的投資收益比，對于案例船舶，當MGO和HFO的差價為262$/t時，只要ECA內(nèi)航行距離占整個航次的比例大于9.7%，使用海水脫硫工藝的投資收益比最高，否則聯(lián)合使用低硫燃油和岸電的投資收益比最高；當ECA范圍內(nèi)航行距離占整個航次的比例為30%時，燃油差價高于77.6$/t，使用海水脫硫工藝更適宜。

不同方案的投資收益比取決于ECA內(nèi)航行距離、燃油差價、岸電成本等因素：一方面需要考慮船舶行駛的航線特點，若船舶在ECA區(qū)域內(nèi)航行時間占有較大比重，則采用海水脫硫裝置的性價比最高，因為海水脫硫裝置的運營成本低，長時間在ECA區(qū)域內(nèi)航行所消耗的成本遠低于使用MGO產(chǎn)生的替代成本；另一方面對于一艘特定船舶，除了考慮其航線特點外，MGO和HFO的燃油差價、岸電成本等因素也會影響不同方案的投資收益比，油價差越小、岸電成本越低，使用MGO或聯(lián)合使用MGO和岸電兩種方案的可能性越大。

本文的研究方法有助于環(huán)境監(jiān)管部門和船東從平衡有形成本支出和社會環(huán)境效益角度對船舶的減排措施做出決策。

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Benefit Analysis of Measures for Vessel Emissions Reduction in Sulfur Emissions Controlled Area

Ding Fangping
(Qingdao Ocean Shipping Mariners College,Qingdao 266071,China)

In this paper,in view of the increasingly demanding laws and regulations on vessel tail gas emissions in the emissions controlled areas,we proposed three solutions,respectively being installing the sea water desulfurizing devices,using MGO and jointly using MGO and shore power.Then we analyzed the cost and environmental benefits of each of them and evaluated them in terms of the investmentto-benefit ratio.The result showed that the investment-to-benefit ratio depended on the navigation distance in the ECA,the price difference between the HFO and MGO as well as the cost of the shore power,etc.

ocean environment;sulfur emissions controlled area;emissions reduction measure;benefit analysis

X736.3

A

1005-152X(2016)11-0121-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.11.026

2016-10-08

丁方平（1982-），男，山東青島人，青島遠洋船員職業(yè)學院教學工作部主管，工程師。