劉恒成，王子衿，吳紹維

（1.重慶交通大學(xué)航運與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；2.昆明市第八中學(xué)，云南 昆明 650222）

0 引言

在世界經(jīng)濟逐漸全球化的今天，港口在經(jīng)濟貿(mào)易中起著重要作用,但在港口生產(chǎn)作業(yè)過程中同時排放出的大量溫室氣體，是全球氣候變暖的因素之一。氣候變暖現(xiàn)象已逐漸引起全世界的關(guān)注，低碳可持續(xù)綠色發(fā)展模式將成為港口發(fā)展的必然趨勢。

近年來，已有諸多估算碳排放量的計算方法，但沒有形成統(tǒng)一標準。目前，碳排放核算方法可歸納為排放系數(shù)法、投入產(chǎn)出法，實測法3 種。劉玲等[1]分析了現(xiàn)有的碳排放測算方法，總結(jié)出3 大測算體系，其中排放系數(shù)法應(yīng)用最廣泛，因其可參考已有的排放系數(shù)而不需重新研究特殊情況下燃料的碳排放情況，所以該方法應(yīng)用較廣。于華[2]和宋宇[3]分別研究了煤炭開釆等環(huán)節(jié)的碳排放和建筑循環(huán)物流碳排放，在這2 類碳排放的估算中，均采用了排放系數(shù)法來計算碳排放量。港口碳排放估算中包含對港口企業(yè)碳排放的測算，涉及“企業(yè)”測算層級。國內(nèi)外學(xué)者對港口碳排放計算方法的研究也有很多，但目前主要集中在沿海港口[4-8]，對內(nèi)河港口的研究較少[9]，而且主要以集裝箱碼頭為研究對象，并主要針對集裝箱碼頭裝卸生產(chǎn)的碳排放進行研究[10-11]，而對集裝箱碼頭整體碳排放的研究較少。除此之外，現(xiàn)階段對散貨碼頭等其他碼頭的碳排放研究也為數(shù)不多。

選取長江上游流域地區(qū)果園港口作業(yè)區(qū)為研究對象，全面分析港區(qū)范圍內(nèi)所有的船舶和機械設(shè)備，研究并制定排放量的計算方法，對保有量、活動水平、燃油消耗量及品質(zhì)等基本數(shù)據(jù)進行調(diào)研，從而獲得2020年該港區(qū)大氣污染物排放量，并對排放特征進行分析，確定出主要排放源，以期能為我國相關(guān)內(nèi)河港區(qū)開展港口污染防治治理工作提供參考依據(jù)。

1 港區(qū)概況

果園港口作業(yè)區(qū)分為集裝箱碼頭和散貨碼頭，其中集裝箱碼頭水運條件優(yōu)越，碼頭岸線長760 m，設(shè)計低水位在154.77 m，常年水深約5 m，是天然的深水良港。后方堆場采用2 級平臺設(shè)計，陸域總面積為0.43 km2，堆場使用面積為0.24 km2。2020年果園港口作業(yè)區(qū)（集裝箱碼頭和散貨碼頭）調(diào)研數(shù)據(jù)見表1。

表1 果園港口作業(yè)區(qū)年平均調(diào)研數(shù)據(jù)

由表1 可以看出，果園港口作業(yè)區(qū)共有10 個泊位，港區(qū)內(nèi)集裝箱碼頭機械設(shè)備有岸橋、場橋、集裝箱運輸車輛（集卡）和堆高機等，散貨碼頭機械設(shè)備有卸船機、門座式起重機、帶式運輸機、堆取料機、重型卡車、鏟車、叉車等，機械設(shè)備種類覆蓋面廣，具有代表性。

2 研究方法

港區(qū)大氣排放主要來源于2 部分：停港船舶和港區(qū)內(nèi)機械設(shè)備。選定果園港口作業(yè)區(qū)作為研究對象，對港區(qū)范圍內(nèi)停港船舶和機械設(shè)備進行全面分析，選取合適的大氣污染物排放量計算方法及排放因子獲取途徑。先對停港船舶、機械設(shè)備的保有量、活動水平、燃油消耗量及品質(zhì)等基本數(shù)據(jù)調(diào)研，再計算出大氣污染物排放量并分析排放特征。

2.1 碳排放計算方法

目前，碳排放計算方法的分類標準較多，通?？蓺w納為宏觀和微觀2 類，其中宏觀計算方法是一種從概念角度計算碳排放的方法，而微觀計算方法則是將不同排放源進行分類來計算碳排放量[12]。

2.1.1 排放因子法

排放因子法是由IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）提出，運用排放因子乘以碳排放源的數(shù)值來作為該碳排放源的碳排放計算值。計算公式如下：

式中：Emission 為該碳排放量實際計算值，kg；AD 為碳排放記錄清單中的碳排放源的數(shù)據(jù)記錄值，kg；EF 為排放因子，表示單位某排放源所釋放出來的溫室氣體量，kg/kg。

2.1.2 實測法

實測法是一種通過對排放源的碳排放量進行實時監(jiān)測，然后匯總監(jiān)測獲得排放源碳排放量的方法。該方法的優(yōu)點：中間環(huán)節(jié)少，結(jié)果接近實際碳排放量。缺點：數(shù)據(jù)獲取存在一定困難且資金投入較大。此外，還受到樣品采集以及測量精度的影響。因此，該方法若樣品選擇不對，將影響最終計算的碳排放量。目前，該方法在實際應(yīng)用中比較少。

2.1.3 質(zhì)量平衡法

質(zhì)量平衡法是近年來新提出的一種計算方法。采用該方法能分類估算出各類設(shè)備的碳排放量并進行對比，并能對不同碳排放地區(qū)的碳排放量進行更為準確的估算，估算結(jié)果更接近實際排放量。尤其當設(shè)備更新?lián)Q代快時，采用該方法更方便有效。

考慮港區(qū)的排放源并不復(fù)雜且作業(yè)機械相對固定及相關(guān)數(shù)據(jù)的真實性，通常認為在計算過程中碳排放因子不變。本文碳排放將根據(jù)調(diào)研獲取的燃油消耗量計算出各機械設(shè)備的碳排放量。

碳排放系數(shù)是用于計算消耗單位質(zhì)量或體積能源產(chǎn)生的溫室氣體所轉(zhuǎn)化成CO2的量。根據(jù)《2006年IPCC 國家溫室氣體清單指南》 可獲得我國柴油的低位熱值和單位熱值CO2排放系數(shù)取值，為簡化計算，假設(shè)燃油消耗時的氧化率為100%。該指南給出柴油單位熱值CO2排放系數(shù)缺省值(排放因子)為74 100 kg/TJ[13]。0# 柴油質(zhì)量濃度取0.85 kg/L，可計算出柴油的CO2排放系數(shù)為2.65 kg/L，即消耗1 000 kg 柴油約排放3 117.65 kg 的CO2[14]。

2.2 其他污染排放物計算方法

2.2.1 硫氧化物(SOx)計算方法

硫氧化物(SOx)的排放量采用物料平衡算法，其原理為：S 的相對原子質(zhì)量是32，O 的相對原子質(zhì)量是16，SO2的相對分子質(zhì)量為64。因此SO2排放量的計算公式為：

2.2.2 氮氧化物(NOx)與PM 計算方法

氮氧化物(NOx)的排放量采用燃油消耗量估算法[15]，計算公式為：

式中：i，j 分別代表作業(yè)過程、作業(yè)機械；E 為NOx的排放總量，kg；Qi，j為作業(yè)過程i 作業(yè)機械j 的燃油消耗量，kg；EFj為作業(yè)機械j NOx的排放因子，g/kg。各類型機械的排放因子見表2。

表2 非道路移動設(shè)備排放因子 g·kg-1

計算船舶尾氣大氣污染物排放量時，應(yīng)考慮到影響排放因子的因素。通常選取美國環(huán)境保護組織（EPA）根據(jù)不同柴油發(fā)電機的功率制定出不同的排放因子[20-21]，見表3。

表3 EPA 制定的船舶排放因子 g·kg-1

2.3 柴油發(fā)電機的油耗

不同品牌的發(fā)電機組的油耗不同。1 L 柴油的質(zhì)量約在0.84 ～0.86 kg，通常發(fā)電機制造商采用g/kW·h 參數(shù)，即發(fā)電機組每千瓦時的油耗。將單位換算成升，可得到1 h 的耗油量。在額定負載情況下，不同功率柴油發(fā)電機油耗見表4。

表4 額定負載情況下不同功率柴油發(fā)電機的油耗

3 大氣污染物排放量及排放特征分析

由于船舶及運輸車輛單次運行距離長，港區(qū)范圍內(nèi)船舶只計算?？吭诖a頭的船舶內(nèi)部柴油發(fā)電機工作時所產(chǎn)生的大氣污染物排放量，運輸車輛只計算在港區(qū)內(nèi)運行和等待時的大氣污染物排放量。故計算出2020年果園港口作業(yè)區(qū)大氣污染物（PM2.5，CO2，NOx，SO2等）排放總量為2 241 t，各種大氣污染物排放量見圖1、圖2。該港區(qū)停港船舶、機械設(shè)備排放大氣污染物占比見圖3、圖4。

圖1 2020年果園港區(qū)集裝箱碼頭各種大氣污染物排放量

圖2 2020年果園港區(qū)散貨碼頭各種大氣污染物排放量

圖3 果園港區(qū)集裝箱碼頭排放大氣污染物占比

圖4 果園港區(qū)散貨碼頭排放大氣污染物占比

由圖3 可以看出，①果園港區(qū)集裝箱碼頭的集卡為主要碳排放源，所排放的碳占比高達68%。其次為堆高機，占比約為18%。停港船舶發(fā)電柴油機組的占比為14%；②在NOx排放方面，集卡、堆高機和停港船舶占比依次為64%，17%和19%。集卡為果園港區(qū)集裝箱碼頭NOx的主要排放源，其次為停港船舶；③在SO2排放方面，集卡、堆高機和停港船舶的占比依次為68%，18%和14%。集卡為SO2的主要排放源，其次是堆高機；④在PM2.5排放方面，集卡、堆高機和停港船舶的占比依次為56%，15%和29%。集卡為PM2.5的主要排放源，其次是停港船舶。

由圖4 可以看出，果園港區(qū)散貨碼頭的CO2，NOx以及SO2排放主要來自于散貨碼頭作業(yè)的重型卡車，占比均高達48%；其次依次為鏟車、叉車、其他機械和停港船舶，占比分別為24%，22%，4%和2%。在PM2.5排放方面，叉車為主要排放源，其占比為43%；重型集卡、鏟車、其他機械和停港船舶的占比依次為28%，24%，2%和2%。

由于活動數(shù)據(jù)、排放因子及相關(guān)參數(shù)等的缺乏或代表性不足，排放量的計算有一定的不確定性，主要體現(xiàn)在以下2 方面：①排放因子的選取。排放因子采用國內(nèi)外學(xué)者已有的研究成果，并未進行排放因子實測，是不確定性的重要來源；②相關(guān)參數(shù)的選取。停港船舶、港區(qū)內(nèi)機械設(shè)備的保有量、燃油消耗量等采用的是基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和調(diào)研結(jié)果的平均水平，具有較大不確定性。

4 低碳排放的測算

以上分析可知，各類耗油作業(yè)機械設(shè)備和船舶在停港期間發(fā)電機組排放的溫室氣體是果園港區(qū)大氣污染物排放的主要來源。對此，采用清潔能源和全電化動力機械設(shè)備以及強制實行停港船舶接入岸電是實現(xiàn)低碳排放的有效途徑。

4.1 油改氣的碳排放測算

天然氣作為一種高效且相對清潔的燃料，燃燒時僅排放出少量的CO2和其它大氣污染物，與其它化石燃料相比，污染小，基本不含鉛、硫化物及苯類等有害物質(zhì)。目前，天然氣作為推廣的清潔燃料，不僅價格低且儲量大，港口的機械設(shè)備如將油改氣，既降低了油耗，又減少了SOx，NOx及PM 的排放。果園港區(qū)集裝箱碼頭和港區(qū)散貨碼頭油改氣后的碳排放減少情況分別見表5。

表5 果園港區(qū)油改氣后的碳排放減少情況

由表5 可以看出，集卡、叉車、裝載機（鏟車）、堆高機、停港船舶等耗油設(shè)備是港口主要的碳排放源，將現(xiàn)有港口設(shè)備改用天然氣可有效降低20%以上的碳排放量。

4.2 油改電的碳排放測算

為有效降低果園港區(qū)碳排放量，深化推動低碳綠色港口建設(shè)，采用全電驅(qū)動港口動力機械可直接消除碳排放和大氣污染物。針對集卡、叉車、裝載機（鏟車）、堆高機、停港船舶等港口主要的碳排放源，進行全電化升級是降低碳排放的最有效措施。

設(shè)定果園港區(qū)的吞吐量按5%的增長率增加，到2028年果園港區(qū)集裝箱碼頭和散貨碼頭碳排放情況見表6、表7。在集裝箱碼頭中，原有集卡18 臺，至2023年預(yù)計改造5 臺，至2025年預(yù)計改造10臺，至2028年預(yù)計改造3 臺；原有堆高機3 臺，至2023年預(yù)計改造1 臺，至2025年預(yù)計改造2 臺；在散貨碼頭中，原有重型卡車10 臺，至2023年預(yù)計改造3 臺，至2025年預(yù)計改造5 臺，至2028年預(yù)計改造2 臺；原有鏟車共15 臺，至2023年預(yù)計改造5臺，至2025年預(yù)計改造7 臺，至2028年預(yù)計改造3臺；原有叉車共12 臺，至2023年預(yù)計改造4 臺，至2025年預(yù)計改造6 臺，至2028年預(yù)計改造2 臺；其他機械2023年預(yù)計全部改造完畢。由表6、表7 可以看出，至2023年，果園港區(qū)碳排放減少率超過25%；至2025年，碳排放減少率超過75%；至2028年完全實現(xiàn)了零排放。

表6 果園港區(qū)油改電后集裝箱碼頭的碳排放情況 t

表7 果園港區(qū)油改電后散貨碼頭的碳排放減少情況 t

5 結(jié)論與建議

（1）選取典型內(nèi)河港區(qū)為研究對象，根據(jù)文獻調(diào)研分別制定了港區(qū)內(nèi)停港船舶、機械設(shè)備產(chǎn)生的溫室氣體及大氣污染物排放量計算方法。其中停港船舶和港區(qū)內(nèi)機械設(shè)備都采用燃油消耗量計算法，停港船舶選用船舶排放因子，機械設(shè)備的排放因子可通過NONROAD 模型獲取。先進行保有量、活動水平、燃油消耗量及品質(zhì)等基本數(shù)據(jù)調(diào)研，最后計算出港區(qū)溫室氣體與大氣污染物排放量，并分析其排放特征。

（2）計算結(jié)果顯示，2020年果園港口作業(yè)區(qū)大氣污染物排放總量為2 241t，果園港區(qū)集裝箱碼頭除PM2.5外的其他排放物中，集卡排放占比均超過60%，堆高機和停港船舶排放占比相差不大，均為14%～19%。在PM2.5排放方面，集卡、堆高機和停港船舶占比依次為56%，15%和29%；果園港區(qū)散貨碼頭除PM2.5外的其他排放物中，重卡排放占比均高達48%，其次依次為鏟車、叉車、其他機械和停港船舶，排放占比分別為24%，22%，4%和2%。在PM2.5排放方面，叉車占比為43%，重卡、鏟車、其他機械和停港船舶占比依次為28%，24%，2%和2%。從上述結(jié)果可以得出，集卡和重卡是果園港區(qū)大氣污染物排放的主要排放源，兩者均為港區(qū)污染減排的重點對象，此外，集卡和叉車均為港區(qū)PM2.5污染減排主要控制對象。

（3）為建設(shè)低碳綠色港口，同時結(jié)合港區(qū)內(nèi)機械設(shè)備情況，提出港口機械油改氣、油改電方式，使用清潔能源、采用全電化動力機械設(shè)備并且強制實行停港船舶接入岸電等。測算結(jié)果表明，通過油改氣方式可有效降低20%以上的碳排放量，通過油改電方式可逐步減少碳排放量，至2028年可完全實現(xiàn)零排放。

（4）由于排放因子采用的是國內(nèi)外學(xué)者已有的研究成果，并未進行排放因子實測，導(dǎo)致計算結(jié)果的不確定性，若條件允許建議開展排放測試實驗，獲取不同機械設(shè)備不同運行工況下的實測排放因子，以提高計算結(jié)果的可靠性。