考虑废气洗涤系统限制的船舶减硫方案经济性分析

朱墨　黄猛　

摘要：在运价和燃油价格波动、开式废气洗涤系统受限等行业背景下，如何针对多种情景科学地選择经济性更优的减硫方案，是航运企业面临的现实经营问题。针对该问题，本文对使用低硫燃油和采用混合式废气洗涤系统这两类可行方案进行经济性分析与对比，探讨能体现各方案经济性的运营条件。建立考虑船舶航速、油耗等因素的船舶净现值模型。从典型企业采集实际数据开展实证分析发现，基准情景下采用混合式废气洗涤系统比使用低硫燃油的经济性更优。为了说明主要运营要素对船舶整体经济性的影响，对船龄、航速、油价、排放控制区（emission control area， ECA）航程等要素进行敏感性分析，得出区分两种方案经济性优劣的临界条件。

关键词：  船舶硫排放; 减排方案; 经济性分析; 废气洗涤系统

中图分类号：  F553文献标志码：  A

Economic analysis of ship sulphur reduction scheme considering

exhaust gas scrubber restriction

Abstract： Under the background of freight rate and fuel price fluctuations， as well as the limited open exhaust gas scrubber， how to choose a more economical sulphur reduction scheme scientifically for a variety of scenarios is a realistic operation problem faced by shipping enterprises. In view of this problem， this paper analyzes and compares the economy of using lowsulphur fuel oil and using the mixed exhaust gas scrubber， and discusses the operating conditions that can reflect the economy of each scheme. A ship net present value model considering the ship speed and fuel consumption is established. The empirical analysis on the actual data from typical enterprises shows that， using the mixed exhaust gas scrubber is more economical than using the lowsulphur fuel oil under the baseline scenario. In order to explain the impact of the main operating factors on the overall economy of a ship， the sensitivity analysis of the ship age， speed， oil price， and emission control area （ECA） mileage is carried out， and the critical conditions to distinguish the economic advantages and disadvantages of the two schemes are obtained.

Key words： ship sulphur emission; emission reduction scheme; economic analysis; exhaust gas scrubber

引言

船用燃油多为重质渣油，含硫量高，燃烧后会排放出大量的硫氧化物、氮氧化物、颗粒物等污染物质，严重影响空气质量。我国作为航运大国，一直十分重视推进航运绿色发展和船舶节能减排，2006年就签署了公约管控船用燃油质量，且船舶排放控制区（emission control area， ECA）政策实施已成为降低船舶大气污染物排放的重要手段。国际海事组织制定的全球限硫令已于2020年1月正式实施，该法令要求所有远洋船舶必须使用硫质量分数不大于0.5%的燃油，这给航运企业带来了经济压力与挑战。

全球限硫令约束下，安装废气洗涤系统、使用低硫燃油和液化天然气（liquefied natural gas， LNG）等清洁燃料成为降低船舶硫排放的主要方案，但由于开式废气洗涤系统排放的废水会对海洋造成污染，部分国家已对其明确禁用。WANG等[1]认为使用低硫燃油是减少船舶硫氧化物排放的最直接方法，但是SOLAKIVI等[2]指出低硫燃油存在供应不确定和发动机维护保养成本高昂等问题。VANT等[3]认为加装废气洗涤系统是对所有船舶都可行的方案，但LINDSTAD等[4]和PATRICKSSON等[5]认为只有大型船舶安装废气洗涤系统才具有经济性，且安装该系统需要极高的初始成本。而BERGQVIST等[6]发现由于改装成本高、前期投资大和供应有限等问题，LNG并未在船队中广泛使用。为了结合行业实际说明方案选择过程，本文基于从典型企业调研的数据进行案例分析。研究结构如下：首先梳理国内外限硫法规与区域，对比分析各方案的优劣，明确可行的船舶减硫方案;然后以船舶全寿命期净现值（net present value， NPV）为目标建立经济性分析模型，结合调研所得的实际数据，进行不同情景下的NPV计算;最后从船舶剩余可用年限、油价波动、航速变化、限硫区域变化等角度，研究经济性最优策略的选择。751ED905-B8B2-4E3F-89D3-75D727EA372E

1船舶硫排放限制法规与减硫方案

1.1限硫法规梳理

全球限硫令指国际海事组织规定自2020年1月起全球范围内航行船舶所使用的燃油硫质量分数不大于0.5%[7]。早在2015年1月1日，ECA就已经开始施行航行船舶所用的燃油硫质量分数不大于0.1%的规定。我国交通运输部规定，2019年1月1日起[8]，海船在ECA应使用硫质量分数不大于0.5%的船用燃油;2020年1月1日起，海船在内河控制区应使用硫质量分数不大于0.1%的船用燃油。此外，船舶可使用清洁能源、新能源、船载蓄电系统或尾气后处理系统（废气洗涤系统）等替代措施满足船舶排放控制要求。

1.2船舶减硫方案

根据Clarkson SIN（2021）统计，截至2020年底集装箱船多采用低硫燃油或安装废气洗涤系统来满足排放要求，在全球所有集箱船中以LNG为动力的集装箱船仅占0.64%且集中于新船;全球约17%的集装箱船完成了废气洗涤系统改造，其余多数船舶仍选择使用低硫燃油方案。低硫燃油包含重质低硫燃油（low sulphur heavy fuel oil， LSHFO）和船用轻质柴油（如marine gas oil， MGO）。MGO硫质量分数更低（通常低于0.1%）但油价也相对较高;LSHFO可通过混合不同含硫量的燃油获得。

废气洗涤系统，又称脱硫塔，可以用来处理船舶燃油燃烧产生的硫氧化物，目前应用于船舶的主要是湿法废气洗涤系统。湿法废气洗涤系统又包含开式、闭式、混合式（下文简称开式系统、闭式系统和混合式系统）等3类，其优缺点对比见表1。

中国、新加坡、日本、美国、加拿大等国家由于担心开式系统排放的废水会破坏水域生态环境，已对其明确禁用，这意味着航行在这些区域的船舶只能使用混合式系统中的闭式系统或者低硫燃油。因此，本文选择低硫燃油及混合式系统两种可行方案进行分析。

2经济性分析模型构建

以经济可行性分析中广泛使用的NPV法为基础[9]，进一步对燃油价格、船舶剩余可用年限、平均航速等硫排放主要影响因素进行敏感性分析，探讨区分两类方案经济性优劣的临界条件。

2.1模型假设与参数

为求出应用减硫方案后船舶全寿命期内的NPV，假设：（1）集装箱船i在航线k上运营;（2）研究期内船舶运行的船期固定;（3）船舶匀速航行;（4）航线上货流保持不变且均匀发生;（5）低硫燃油或混合式系统都能满足船舶剩余可用年限要求，不考虑更新。NPV模型参数见表2。

2.2低硫燃油方案下船舶NPV模型

（1）年度资金成本Ccaplikj。船舶使用低硫燃油方案时的资金成本包括船舶的建造成本、折旧成本、贷款利息以及船舶的低硫系统改造成本、油舱的清洁成本。因低硫系统改造费用较低，不考虑使用银行贷款。值得注意的是，在后续NPV计算中为避免重复计入，船舶年度资金只需计算利息成本。

（1）

（2）年度经营成本Coplikj。船舶经营成本包括维护保养费、船员工资伙食费、船舶物料费、保险费、年度检查费、管理费等，以及低硫燃油系统的日常维护和定期维修成本。

（3）年度航次成本。船舶的航次成本包括主机燃油费、发电机燃油费、港口使费和运河费等。主机每日燃油消耗与船舶的载货量和航速有关，同时还受主机的单位油耗率影响。船舶使用低硫燃油时，主机航次燃油成本CMlik可表示为

（2）

船舶使用低硫燃油时，发电机航次燃油成本CAlik可表示为

（3）年度航次数nikj为（4）使用低硫燃油方案时，船舶第j年的燃油总成本COlikj为（5）由此可得出低硫燃油方案下，船舶NPV模型为（6）式中：Alij表示低硫燃油方案下i型船第j年收益;Rli为船舶期末残值;Pi为计算期初船舶价值。

2.3混合式系统方案下NPV模型

（1）年度资金成本Ccapmikj。除船舶自身的资金成本外，船舶使用废气洗涤系统的资金成本包括：该系统造价、安装费、贷款利息等。因此使用混合式系统方案时，船舶资金成本为

（7）

（2）年度经营成本Copmikj。除了船舶常规经营成本，混合式系统还需要日常维护和定期维修。

（3）年度航次成本CMmik。使用混合式系统时，船舶主机航次燃油成本为  （8）相应的船用发电机航次燃油成本（9）此外，混合式系统还需要使用氢氧化钠脱硫剂，其航次成本Cmaik为（10）

则年度航次成本   （11）由此可得使用混合式系统时的船舶NPV模型：（12）

式中：Amij表示使用混合式系统方案下i型船第j年收益;Rmi为船舶期末残值;Pi为计算期初船舶价值。

3实证分析

3.1基本数据搜集

通过对某船公司技术部门的调研，获得详细的船舶营运、低硫燃油转换及混合式系统改造等成本资料，作为本节计算的基准情景数据。选择该公司在中国—欧洲航线上营运的7 200 TEU的集装箱船S（主机功率為35 600 kW）为例开展实证研究。

3.1.1系统改造和维护成本

船舶使用低硫燃油前需进行改造的项目有：清洁重油储存柜、重油日用油柜、重油沉淀柜和溢油柜等，改造燃油管系，加装燃油冷却器等。具体成本数据见表3。

加装废气洗涤系统的成本包括系统建造、安装成本及船舶改造成本，上述成本主要与船舶主机功率相关。使用废气洗涤系统的成本包括运营固定成本和维修保养成本。混合式系统的安装维护成本具体见表4。

此外，在禁用开式系统的区域，混合式系统需启用闭式系统工作，氢氧化钠反应剂的消耗量与燃油的消耗量和含硫量成正比。本文参考任远[12]的氢氧化钠反应剂的消耗系数，即硫质量分数为3.5%的船用燃油脱硫反应剂的消耗系数为0.09。目前市场上的氢氧化钠反应剂的单价为300～350美元/t。751ED905-B8B2-4E3F-89D3-75D727EA372E

3.1.2航线、运价、运量与油价信息

船S现执行中国—欧洲航线的航次，依次挂靠上海港、深圳港、新加坡港、塞得港、比雷埃弗斯港和汉堡港，然后按顺序回到上海港。调查得知，航线上ECA内的港口都禁用开式系统，也即在这些区域只能开启混合式系统中的闭式系统，而在ECA外都需开启开式系统以满足硫排放要求。另需注意的是，若船舶使用低硫燃油，则其在ECA内必须改用MGO等含硫量更低的燃油以满足排放控制要求。航线具体信息见表5。船S在港时间见表6。

近年来集装箱运价波动极大，本文以Clarksons SIN数据库所统计的2010—2020年的平均运价为基准值，即上海—欧洲运价取1 000美元/TEU。同时，由于缺乏返程运价数据，经行业调研后取返程运价为去程运价的50%，正向载箱量为船舶额定载箱

的80%，反向载箱量为额定载箱量的60%。本文不考虑集装箱运量的变动，假设运量为确定值，正向货运量取值为280 000 TEU，反向货运量取值为210 000 TEU。

燃油价格也以Clarksons SIN数据库所统计的近十年燃油均价为基准值，即HSHFO价格取270美元/t，LSHFO价格取330美元/t，MGO价格取390美元/t。

3.1.3船S信息

船S的相关信息见表7。

船S主机、发电机在不同负荷下具有不同的单位油耗率，具体数据见表8。

3.2模型求解与敏感性分析

通过求解式（7）和（14），得出船S使用低硫燃油的NPV为85 048 051美元，混合式系统方案下的NPV为88 311 408美元，也即基础航线条件下船S加装混合式系统的整体经济性优于使用低硫燃油的经济性。然而，船舶剩余可用年限、低硫燃油价格、平均航速、ECA内航程等都是影响经济性分析结果的重要因素[13]，本节针对这些因素进行敏感性分析以探讨减排方案选择的临界条件。

3.2.1船舶剩余可用年限

基础情景下船S船龄为11 a。为考察船龄变化对方案经济性的影响，假设其他条件不变，计算船龄逐渐增加时船舶NPV的走势，结果见图1。由图1可知：随着船龄增加，即船舶剩余可用年限减少，混合式系统的经济性优势明显减小;当船龄为11.9 a，即船舶剩余可用年限为8.1 a时，使用低硫燃油的经济性开始优于采用混合式系统的经济性。换言之，对于老旧船舶而言，使用低硫燃油方案的经济性明显较优。

3.2.2低硫燃油价格

由于安装混合式系统后，船舶使用HSHFO就可满足排放要求，所以低硫燃油价格变化不对此方案产生影响。然而，低硫燃油价格对使用低硫燃油的船舶影响较大，且这类船舶在ECA内必须使用含硫量更低的MGO。在其他条件不变的情况下，LSHFO和MGO价格变化时的船舶NPV计算结果见图2和3。

结果发现，当LSHFO价格超过330美元/t时，MGO价格超过400美元/t时，船舶使用低硫燃油方案失去经济性优势，此后混合式系统占优。

3.2.3航速

基础情景中假定船舶每年按平均速度航行，实际航行中船舶会按照运输需求和燃油成本微调航速，从而使得船舶的燃油消耗量发生变化。不同航速下船舶NPV计算结果见图4。当航速较低（12～13 kn）时船舶使用低硫燃油方案的NPV更高，随着航速增加至17 kn及以上时，混合式系统的经济性更优。

3.2.4ECA内航程

前述分析可知，应用低硫燃油方案的船舶，在ECA内需要使用含硫量更低、价格更高的MGO才能满足排放控制要求，因此航程中ECA内航程的变化也会对经济计算结果产生影响。本实证中所用的基础航程信息如表5所示，其中ECA内航程占总航程的7.72%;以此占比为变动因素，可得出相应的方案经济性临界点，如图5所示。当ECA内航程占总航程比例达到10%及以上时，低硫燃油方案便失去了经济优势。

4结论

在全球限硫令约束与禁用开式废气洗涤系统的趋势下，选用经济可行的减硫方案是航运企业急需决策的现实运营问题。虽然已从调研得知在目前较低的燃油价格下，航运企业大多选择改用低硫燃油来满足减排要求，但是随着市场条件的变化，使用低硫燃油会失去经济优势，安装混合式系统可能成为具有优势的策略。

结合所建立的净现值（NPV）模型以及调研所得的7 200 TEU集装箱船数据，本文对船舶使用低硫燃油和混合式系统进行了项目经济性论证，发现在基础情景下船舶采用混合式系统的NPV更大，这与市场多数船舶所有人的选择并不一致。为分析船龄、低硫燃油价格、航速和ECA内航程对船舶NPV的影响，本文进一步开展了敏感性分析，得知在其他条件保持不变的情况下，混合式系统的经济性占优的临界条件分别为：（1）船龄低于11.9 a;（2）LSHFO价格超过330美元/t;（3）MGO价格超过400美元/t;（4）船舶平均航速增加至17 kn及以上;（5）ECA内航程占总航程的比例达到10%及以上。

虽然本文的实证结论是基于特定船舶及航线条件得出的，具有局限性，但是敏感性分析能揭示一定的趋势，为企业决策提供量化参考与启示。同时，本文所建立的NPV模型細化考虑了船舶航速和主机、发电机单位油耗率等基础参数，能具体反映船舶实际运行情况，具有现实意义。此外，与船舶营运相关的许多因素（如油价、运价等）具有不确定性，为简化计算，本文将其进行了确定性处理，而不确定性条件下的经济性分析能反映更多行业情景，使企业能够依据变化的条件作出决策，值得进一步扩展研究。

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（编辑贾裙平）

收稿日期： 20210527修回日期： 20210821

基金项目： 国家自然科学基金（72031005，71972128）;国家社会科学基金（18ZDA052）

作者简介： 朱墨（1984—），女，四川资阳人，讲师，博士，研究方向为绿色航运、航运管理，（Email）mozhu@shmtu.edu.cn

*通信联系人。（Email）657566634@qq.com751ED905-B8B2-4E3F-89D3-75D727EA372E