船舶大型化对大气污染物排放的影响

钱芳

（青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071）

船舶大型化对大气污染物排放的影响

钱芳

（青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071）

对船舶大型化与船舶大气污染物排放量的关系进行了研究。通过对船舶行驶状态、主辅机信息、负载因子、低负载校正因子、排放因子及燃油校正因子等多要素分析，推导了船舶排放强度的计算式。选取3艘不同吨位的集装箱船进行比较，结果表明：在船舶载箱率较高时，大型船舶可以减少污染物的排放。当船舶满载时，船舶污染物单位排放达到最低。

船舶大型化；大气污染物；船舶排放

1 引言

航运承担了全球近90%的货物运输，其在国际贸易和世界经济中的作用越来越显著［1］。航运运输量日益增长的同时，带来的大气污染也同样引起了人们的广泛关注。工业是最主要的大气污染来源，占总污染的52%，运输为27%［2］。船舶排放的气体和颗粒成分对环境和人类的身体健康有着严重的不良影响［3］。

由于船舶排放量的不断增加，众多国际组织纷纷出台公约以减少船舶大气污染物的排放。国际海事组织（IMO）MARPOL 73/78附则第VI条规定就致力于减少NOX、SO2、PM的排放，它规定了2015年1月后，燃油的含硫量不能超过0.10%［4］。

船舶排放的污染物对环境的不利影响及国内外对船舶排放的日益关注，使船舶减排迫在眉睫。国内外许多学者研究了船舶减排措施［5］。有学者研究了船舶大型化与成本的关系，即规模效益。这些研究主要侧重于分析建造大型船舶的经济利益，却极少有研究分析船舶大型化与船舶尾气排放的关系。本文将在以往研究的基础上，通过对比几艘不同吨位等级的集装箱船的尾气排放来分析船舶大型化对船舶尾气排放的影响。

2 模型描述

2.1 模型的提出

本模型的目标是计算不同吨位等级的船舶尾气排放量，从而研究船舶大型化与尾气排放的关系。由于不同吨位等级的船舶载货能力不同，为了便于比较，本文着重于船舶在单个往返航次中大气污染物单位排放量，即每吨货物每海里的排放量或每箱货物每海里的排放量。

船舶在港口i和j之间的往返航次，该过程包含3种行驶状态：海上航行、进出港和停泊。不同状态下主机和辅机的运行状态不同，单位排放量也不同。对于一个往返航次，船舶大气污染物的单位排放量取决于运输航线、船舶载重量、发动机功率、燃料类型和船舶营运条件等因素。

船舶在单个往返航次中污染物排放量ET:

式中：Emi、Emj-船舶进出港口i和j的排放量；Ec-从港口i到j或港口j到i海上航行中的排放量；Ebi、Ebj-在港口i和j停泊期间的排放量。

由下而上的动力法中，船舶主辅机的排放用公式（3）进行计算[6]：

式中：E-污染物排放量；P-主机或辅机的额定功率；LF-负载系数；EF-排放因子；T-运行时间。

然而，船舶主机在低负载时的排放量会显著增加，燃油含硫量不同也会导致污染物的排放量发生变化，因此，本文采用了低负载校正因子和燃油校正因子来对船舶排放进行调整。

在航行状态下，主辅机都运行，船舶排放如下：

式中：ME、AE-船舶主机和辅机最大持续功率，近似额定功率；LFME、LFAE-主机和辅机的负载系数；EFME、EFAE-主机和辅机排放因子；FAMME、FAMAE-主机和辅机燃油调节因子；Tc-从港口i到j或港口j到i的航行时间。

进出港过程中，主辅机都运行。船舶进/出港口i或j过程中产生的污染物排放为：

式中：Emi-进/出港口i产生的排放量；Tmi-进/出港口i所需时间；Emj-进/出港口j产生的排放量；Tmj-进/出港口j所需时间。

停泊时，只有辅机运行。船舶在港口i或j停泊过程中产生的污染物排放量分别为：

式中：Ebi-在港口i停泊期间产生的污染物排放量；Tbi-在港口i停泊时间；Ebj-在港口j停泊期间产生的排放量；Tbj-在港口j停泊时间。

2.2 船舶特性

从式（4）-式（8）可以看出，船舶在各行驶状态下的尾气排放量与船舶主辅机的额定功率、负载、运行时间等因素密切相关。其中可在劳氏船级社查询船舶主尺度、运力、主机的型号和额定功率、船速等信息。由于国际海事组织不要求船东提供辅机的信息，当该信息缺失时，将难以计算辅机的污染物排放量。以往的研究是假设辅机功率占主机功率的百分比[7]。加州空气资源委员会研究给出不同船型辅机相对于主机的平均百分比[8]，见表1。

表1 不同类型船舶辅机功率与主机功率平均比值

2.3 负载系数

2.3.1 主机负载系数。负载系数是船舶在某一状态下发动机的输出功率占发动机最大持续功率的比值。劳氏船级社数据库中假定船舶的海上航行速度为最大设计航速的94%。船舶正常航行时，负载系数为83%。航速低于正常航行速度时，主机负载系数将会减少。根据螺桨定律，航速较低时主机负载系数[6]：

式中：AS-实际航行速度；MS-最大设计航速。

2.3.2 辅机负载系数。辅机负载系数与船舶种类及行驶状态相关。通过调查，Starcrest给出了不同类型船舶在不同行驶状态下的辅机负载系数，见表2［6］。

表2 辅机负载系数

2.4 排放因子

2.4.1 主机排放因子。船舶主机排放因子表示主机每提供1kWh的能量时，排放的各污染物成分的量。Entec在综合分析计算并提出了船舶主机的排放因子[9]，见表3。

表3 主机排放因子

值得注意的是，由于远洋船舶的主机基本为低速和中速柴油机，Entec没有研究高速柴油机的排放因子。低速柴油机、中速柴油机和高速柴油机的区分主要取决于发动机转速。

2.4.2 辅机排放因子。船舶辅机排放因子表示辅机每提供1kWh的能量时，排放的各污染物成分的量，见表4[6]。

表4 辅机排放因子/g·kWh-1

2.5 低负载校正因子

一般情况下，柴油机在低负荷运转时效率不高，主机燃油消耗将排放更多的污染物。在负载低于20%时，柴油机的效率会急速降低。能源和环境分析公司（EEA）推导出柴油机在低负载状况下排放因子的计算方法。Starcrest根据EEA的研究，给出了低负载校正因子，见表5[6]。

2.6 燃油校正因子

当船舶使用的燃油含硫量不同时，主、辅机各污染物成分的单位排放量将会发生变化，见表6。

在上述各因素确定后，即可计算各船舶在一个往返航次中的单位污染物排放量。可以对比不同吨位船舶的单位排放量，来研究船舶大型化对船舶污染物排放的影响。

表5 低负载校正因子

表6 燃油校正因子

3 实例分析

3.1 实例描述

本文选取了三艘不同吨级的集装箱船进行比较分析，具体参数见表7。

表7 三艘集装箱船的具体参数

为了比较三艘集装箱船的单位排放量，作以下假设：（1）三艘集装箱船均从事上海洋山港到荷兰鹿特丹港的班轮运输。查得：洋山港和荷兰鹿特丹港之间的航线距离为11 987海里；（2）单个往返航次中，三艘集装箱去程和返程载箱率均为90%；（3）三艘集装箱船主辅机均使用含硫量为1.5%的柴油；（4）船舶海上航行速度根据劳氏船级社数据库的假设，假定为最大设计航速的94%；（5）劳氏船级社数据库中未提供三艘船舶的辅机功率，根据表1，假设三艘集装箱船的辅机功率为主机功率的22%；（6）上海洋山港和荷兰鹿特丹港均为24h作业，集装箱装/卸效率均为500TEU/h，货物卸完后立即装货；（7）船舶进/出上海港所需时间平均为1h,进/出鹿特丹港所需时间平均为2h。

3.2 计算分析

基于以上假设，三艘不同吨位的集装箱船各行驶状态单个往返航次的总排放量和单位排放量见表8。从表8中可以看出，单从单个往返航次来说，越大的船舶污染物排放总量越多。通过对比表8中单位排放量可知，无论何种污染物，越大的船舶单位排放量越小。

图1以船1为基准，对三艘船舶的单位排放量进行比较，船2各污染成分的单位排放量基本维持在船1的76%，船3各污染成分的单位排放量基本维持在船1的58%。

表8 三艘集装箱船的污染物排放/t

因此，在货物运输需求较大，货运量充足时，使用大型船舶进行运输产生的污染物排放将大大减少，船舶大型化不仅使货物运输产生了经济上的规模效益，还减低了船舶的污染物，可以有效减少船舶对环境、人类健康的影响。

图1 三艘船舶污染物排放比较

3.3 对装箱量的敏感性分析

从图1可看出，载箱量为90%时，随着船舶的大型化，排放的各污染成分变化趋势相同。本文仅以CO2来做装箱量的敏感性分析。

图2表示三艘集装箱船单位排放量与载箱量之间的关系。随着载箱量增加，三艘船CO2单位排放量都不断减少。满载时，三艘船舶CO2单位排放量都达到最低。最低单位排放量方面（单位：g/TEU/nm），船1为201.4。船2为152.9，是船1的76%；船3为117.1，是船1的58%。

图2 装箱量的敏感性分析

当载箱量较少时，大型船舶单位排放量比小型船舶多，无法获得减排效果。如载箱量小于5 050TEU时，使用船1运输将产生更少的排放。

但若能保证船舶具有较高的载箱率，大型船舶将获得巨大的减排效果。只要船2的载箱率超过79.96%，船2的单位排放就会低于船1单位排放的最低值；船3的载箱率超过58.16%时，船3的单位排放也低于船1单位排放的最低值。因此，若大型船舶能够运输足够数量的集装箱，污染物的排放量将远低于小型船舶。

4 结语

通过对比三艘不同吨位的集装箱船，研究了船舶大型化与船舶污染物排放之间的关系。结果表明，在船舶载箱率较高时，大型船舶可以减少污染物的排放。当船舶满载时，三艘船舶污染物单位排放都达到最低，9 964TEU集装箱船的单位排放约比5 050TEU集装箱的单位排放减少24%，13 800TEU集装箱船比5 050TEU集装箱船的单位排放少42%。因此，船舶大型化不仅实现了规模经济效应，也实现了良好的减排效果。

[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

钱芳（1982-），女，辽宁鞍山岛人，青岛远洋船员职业学院讲师，研究方向：物流工程、物流技术。