典型内河港口温室气体排放特征研究

刘恒成，王子衿，吴绍维

（1.重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆 400074；2.昆明市第八中学，云南 昆明 650222）

0 引言

在世界经济逐渐全球化的今天，港口在经济贸易中起着重要作用,但在港口生产作业过程中同时排放出的大量温室气体，是全球气候变暖的因素之一。气候变暖现象已逐渐引起全世界的关注，低碳可持续绿色发展模式将成为港口发展的必然趋势。

近年来，已有诸多估算碳排放量的计算方法，但没有形成统一标准。目前，碳排放核算方法可归纳为排放系数法、投入产出法，实测法3 种。刘玲等[1]分析了现有的碳排放测算方法，总结出3 大测算体系，其中排放系数法应用最广泛，因其可参考已有的排放系数而不需重新研究特殊情况下燃料的碳排放情况，所以该方法应用较广。于华[2]和宋宇[3]分别研究了煤炭开釆等环节的碳排放和建筑循环物流碳排放，在这2 类碳排放的估算中，均采用了排放系数法来计算碳排放量。港口碳排放估算中包含对港口企业碳排放的测算，涉及“企业”测算层级。国内外学者对港口碳排放计算方法的研究也有很多，但目前主要集中在沿海港口[4-8]，对内河港口的研究较少[9]，而且主要以集装箱码头为研究对象，并主要针对集装箱码头装卸生产的碳排放进行研究[10-11]，而对集装箱码头整体碳排放的研究较少。除此之外，现阶段对散货码头等其他码头的碳排放研究也为数不多。

选取长江上游流域地区果园港口作业区为研究对象，全面分析港区范围内所有的船舶和机械设备，研究并制定排放量的计算方法，对保有量、活动水平、燃油消耗量及品质等基本数据进行调研，从而获得2020年该港区大气污染物排放量，并对排放特征进行分析，确定出主要排放源，以期能为我国相关内河港区开展港口污染防治治理工作提供参考依据。

1 港区概况

果园港口作业区分为集装箱码头和散货码头，其中集装箱码头水运条件优越，码头岸线长760 m，设计低水位在154.77 m，常年水深约5 m，是天然的深水良港。后方堆场采用2 级平台设计，陆域总面积为0.43 km2，堆场使用面积为0.24 km2。2020年果园港口作业区（集装箱码头和散货码头）调研数据见表1。

表1 果园港口作业区年平均调研数据

由表1 可以看出，果园港口作业区共有10 个泊位，港区内集装箱码头机械设备有岸桥、场桥、集装箱运输车辆（集卡）和堆高机等，散货码头机械设备有卸船机、门座式起重机、带式运输机、堆取料机、重型卡车、铲车、叉车等，机械设备种类覆盖面广，具有代表性。

2 研究方法

港区大气排放主要来源于2 部分：停港船舶和港区内机械设备。选定果园港口作业区作为研究对象，对港区范围内停港船舶和机械设备进行全面分析，选取合适的大气污染物排放量计算方法及排放因子获取途径。先对停港船舶、机械设备的保有量、活动水平、燃油消耗量及品质等基本数据调研，再计算出大气污染物排放量并分析排放特征。

2.1 碳排放计算方法

目前，碳排放计算方法的分类标准较多，通常可归纳为宏观和微观2 类，其中宏观计算方法是一种从概念角度计算碳排放的方法，而微观计算方法则是将不同排放源进行分类来计算碳排放量[12]。

2.1.1 排放因子法

排放因子法是由IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）提出，运用排放因子乘以碳排放源的数值来作为该碳排放源的碳排放计算值。计算公式如下：

式中：Emission 为该碳排放量实际计算值，kg；AD 为碳排放记录清单中的碳排放源的数据记录值，kg；EF 为排放因子，表示单位某排放源所释放出来的温室气体量，kg/kg。

2.1.2 实测法

实测法是一种通过对排放源的碳排放量进行实时监测，然后汇总监测获得排放源碳排放量的方法。该方法的优点：中间环节少，结果接近实际碳排放量。缺点：数据获取存在一定困难且资金投入较大。此外，还受到样品采集以及测量精度的影响。因此，该方法若样品选择不对，将影响最终计算的碳排放量。目前，该方法在实际应用中比较少。

2.1.3 质量平衡法

质量平衡法是近年来新提出的一种计算方法。采用该方法能分类估算出各类设备的碳排放量并进行对比，并能对不同碳排放地区的碳排放量进行更为准确的估算，估算结果更接近实际排放量。尤其当设备更新换代快时，采用该方法更方便有效。

考虑港区的排放源并不复杂且作业机械相对固定及相关数据的真实性，通常认为在计算过程中碳排放因子不变。本文碳排放将根据调研获取的燃油消耗量计算出各机械设备的碳排放量。

碳排放系数是用于计算消耗单位质量或体积能源产生的温室气体所转化成CO2的量。根据《2006年IPCC 国家温室气体清单指南》 可获得我国柴油的低位热值和单位热值CO2排放系数取值，为简化计算，假设燃油消耗时的氧化率为100%。该指南给出柴油单位热值CO2排放系数缺省值(排放因子)为74 100 kg/TJ[13]。0# 柴油质量浓度取0.85 kg/L，可计算出柴油的CO2排放系数为2.65 kg/L，即消耗1 000 kg 柴油约排放3 117.65 kg 的CO2[14]。

2.2 其他污染排放物计算方法

2.2.1 硫氧化物(SOx)计算方法

硫氧化物(SOx)的排放量采用物料平衡算法，其原理为：S 的相对原子质量是32，O 的相对原子质量是16，SO2的相对分子质量为64。因此SO2排放量的计算公式为：

2.2.2 氮氧化物(NOx)与PM 计算方法

氮氧化物(NOx)的排放量采用燃油消耗量估算法[15]，计算公式为：

式中：i，j 分别代表作业过程、作业机械；E 为NOx的排放总量，kg；Qi，j为作业过程i 作业机械j 的燃油消耗量，kg；EFj为作业机械j NOx的排放因子，g/kg。各类型机械的排放因子见表2。

表2 非道路移动设备排放因子 g·kg-1

计算船舶尾气大气污染物排放量时，应考虑到影响排放因子的因素。通常选取美国环境保护组织（EPA）根据不同柴油发电机的功率制定出不同的排放因子[20-21]，见表3。

表3 EPA 制定的船舶排放因子 g·kg-1

2.3 柴油发电机的油耗

不同品牌的发电机组的油耗不同。1 L 柴油的质量约在0.84 ～0.86 kg，通常发电机制造商采用g/kW·h 参数，即发电机组每千瓦时的油耗。将单位换算成升，可得到1 h 的耗油量。在额定负载情况下，不同功率柴油发电机油耗见表4。

表4 额定负载情况下不同功率柴油发电机的油耗

3 大气污染物排放量及排放特征分析

由于船舶及运输车辆单次运行距离长，港区范围内船舶只计算停靠在码头的船舶内部柴油发电机工作时所产生的大气污染物排放量，运输车辆只计算在港区内运行和等待时的大气污染物排放量。故计算出2020年果园港口作业区大气污染物（PM2.5，CO2，NOx，SO2等）排放总量为2 241 t，各种大气污染物排放量见图1、图2。该港区停港船舶、机械设备排放大气污染物占比见图3、图4。

图1 2020年果园港区集装箱码头各种大气污染物排放量

图2 2020年果园港区散货码头各种大气污染物排放量

图3 果园港区集装箱码头排放大气污染物占比

图4 果园港区散货码头排放大气污染物占比

由图3 可以看出，①果园港区集装箱码头的集卡为主要碳排放源，所排放的碳占比高达68%。其次为堆高机，占比约为18%。停港船舶发电柴油机组的占比为14%；②在NOx排放方面，集卡、堆高机和停港船舶占比依次为64%，17%和19%。集卡为果园港区集装箱码头NOx的主要排放源，其次为停港船舶；③在SO2排放方面，集卡、堆高机和停港船舶的占比依次为68%，18%和14%。集卡为SO2的主要排放源，其次是堆高机；④在PM2.5排放方面，集卡、堆高机和停港船舶的占比依次为56%，15%和29%。集卡为PM2.5的主要排放源，其次是停港船舶。

由图4 可以看出，果园港区散货码头的CO2，NOx以及SO2排放主要来自于散货码头作业的重型卡车，占比均高达48%；其次依次为铲车、叉车、其他机械和停港船舶，占比分别为24%，22%，4%和2%。在PM2.5排放方面，叉车为主要排放源，其占比为43%；重型集卡、铲车、其他机械和停港船舶的占比依次为28%，24%，2%和2%。

由于活动数据、排放因子及相关参数等的缺乏或代表性不足，排放量的计算有一定的不确定性，主要体现在以下2 方面：①排放因子的选取。排放因子采用国内外学者已有的研究成果，并未进行排放因子实测，是不确定性的重要来源；②相关参数的选取。停港船舶、港区内机械设备的保有量、燃油消耗量等采用的是基于统计数据和调研结果的平均水平，具有较大不确定性。

4 低碳排放的测算

以上分析可知，各类耗油作业机械设备和船舶在停港期间发电机组排放的温室气体是果园港区大气污染物排放的主要来源。对此，采用清洁能源和全电化动力机械设备以及强制实行停港船舶接入岸电是实现低碳排放的有效途径。

4.1 油改气的碳排放测算

天然气作为一种高效且相对清洁的燃料，燃烧时仅排放出少量的CO2和其它大气污染物，与其它化石燃料相比，污染小，基本不含铅、硫化物及苯类等有害物质。目前，天然气作为推广的清洁燃料，不仅价格低且储量大，港口的机械设备如将油改气，既降低了油耗，又减少了SOx，NOx及PM 的排放。果园港区集装箱码头和港区散货码头油改气后的碳排放减少情况分别见表5。

表5 果园港区油改气后的碳排放减少情况

由表5 可以看出，集卡、叉车、装载机（铲车）、堆高机、停港船舶等耗油设备是港口主要的碳排放源，将现有港口设备改用天然气可有效降低20%以上的碳排放量。

4.2 油改电的碳排放测算

为有效降低果园港区碳排放量，深化推动低碳绿色港口建设，采用全电驱动港口动力机械可直接消除碳排放和大气污染物。针对集卡、叉车、装载机（铲车）、堆高机、停港船舶等港口主要的碳排放源，进行全电化升级是降低碳排放的最有效措施。

设定果园港区的吞吐量按5%的增长率增加，到2028年果园港区集装箱码头和散货码头碳排放情况见表6、表7。在集装箱码头中，原有集卡18 台，至2023年预计改造5 台，至2025年预计改造10台，至2028年预计改造3 台；原有堆高机3 台，至2023年预计改造1 台，至2025年预计改造2 台；在散货码头中，原有重型卡车10 台，至2023年预计改造3 台，至2025年预计改造5 台，至2028年预计改造2 台；原有铲车共15 台，至2023年预计改造5台，至2025年预计改造7 台，至2028年预计改造3台；原有叉车共12 台，至2023年预计改造4 台，至2025年预计改造6 台，至2028年预计改造2 台；其他机械2023年预计全部改造完毕。由表6、表7 可以看出，至2023年，果园港区碳排放减少率超过25%；至2025年，碳排放减少率超过75%；至2028年完全实现了零排放。

表6 果园港区油改电后集装箱码头的碳排放情况 t

表7 果园港区油改电后散货码头的碳排放减少情况 t

5 结论与建议

（1）选取典型内河港区为研究对象，根据文献调研分别制定了港区内停港船舶、机械设备产生的温室气体及大气污染物排放量计算方法。其中停港船舶和港区内机械设备都采用燃油消耗量计算法，停港船舶选用船舶排放因子，机械设备的排放因子可通过NONROAD 模型获取。先进行保有量、活动水平、燃油消耗量及品质等基本数据调研，最后计算出港区温室气体与大气污染物排放量，并分析其排放特征。

（2）计算结果显示，2020年果园港口作业区大气污染物排放总量为2 241t，果园港区集装箱码头除PM2.5外的其他排放物中，集卡排放占比均超过60%，堆高机和停港船舶排放占比相差不大，均为14%～19%。在PM2.5排放方面，集卡、堆高机和停港船舶占比依次为56%，15%和29%；果园港区散货码头除PM2.5外的其他排放物中，重卡排放占比均高达48%，其次依次为铲车、叉车、其他机械和停港船舶，排放占比分别为24%，22%，4%和2%。在PM2.5排放方面，叉车占比为43%，重卡、铲车、其他机械和停港船舶占比依次为28%，24%，2%和2%。从上述结果可以得出，集卡和重卡是果园港区大气污染物排放的主要排放源，两者均为港区污染减排的重点对象，此外，集卡和叉车均为港区PM2.5污染减排主要控制对象。

（3）为建设低碳绿色港口，同时结合港区内机械设备情况，提出港口机械油改气、油改电方式，使用清洁能源、采用全电化动力机械设备并且强制实行停港船舶接入岸电等。测算结果表明，通过油改气方式可有效降低20%以上的碳排放量，通过油改电方式可逐步减少碳排放量，至2028年可完全实现零排放。

（4）由于排放因子采用的是国内外学者已有的研究成果，并未进行排放因子实测，导致计算结果的不确定性，若条件允许建议开展排放测试实验，获取不同机械设备不同运行工况下的实测排放因子，以提高计算结果的可靠性。