硫排放控制区内船舶减排措施及效益分析

丁方平

（青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071）

硫排放控制区内船舶减排措施及效益分析

丁方平

（青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071）

针对日趋严格的排放控制区（ECA）船舶尾气排放法规，安装海水脱硫装置、使用轻油（MGO）、联合使用MGO和岸电为3种可选择的方案。分析了不同方案的成本及环境效益，并引用投资收益比指标进行评价，环境监管部门和船东可以根据结果科学制定船舶的减排措施。结果表明，投资收益比取决于ECA内航行距离、重油（HFO）和MGO的差价以及岸电成本等多种因素。

海洋环境；硫排放控制区；减排措施；效益分析

1 引言

航运在国际贸易和世界经济中的作用日益显著，但其给环境带来的负面影响亦引起了社会的广泛关注，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2015年1月后硫排放控制区（SECA）内船舶燃油的含硫量不能超过0.10%[1]。我国交通运输部发布的《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》在中国沿海地区划定了3个ECA，规定2019年前进入ECA范围内的船舶在停泊期间使用的燃油含硫量不高于0.5%，2019年起船舶在ECA范围内使用的燃油含硫量不高于0.1%，或采用一些等效替代措施来减少排放，包括尾气处理装置、岸电、清洁能源等[2]。

诸多学者对3种等效替代措施进行了研究。李文[3]研究了镁法、氨法、海水法等船舶尾气脱硫工艺的机理和可行性；朱益民[4]归纳了包括替代燃油、船舶废气脱硫技术等在内的船舶硫氧化物控制方法，并重点概述舶废气脱硫技术的研究进展；Seddiek[5]、Tzannatos[6]、Adamo[7]等计算了船舶使用岸电的减排潜力；周松[8]对船舶使用低硫燃油、废气洗涤技术等技术方案的成本、环境影响、技术可行性进行了研究；杨富龙[9]分析了低硫燃油的特点，提出船舶进入SECA后换用低硫燃油的技术措施。

然而，极少有学者综合对比不同措施的有形成本以及定量分析不同措施由于减排带来的环境效益。对于一艘特定船舶，采取何种措施才能保证以较少的成本带来较大的社会环境效益还有待研究。因此，本文将分析不同措施的成本，并采用自下而上的动力法计算不同措施的大气污染物排放量，以量化不同措施带来的环境效益，最终采用投资收益比指标对不同减排方案进行评价，这将有助于环境监管部门或船东对船舶减排措施的采纳做出科学决策。

2 船舶减排措施简介

2.1 海水脱硫工艺

海水脱硫工艺的原理是利用天然海水中的可溶盐对烟气中的SO2的吸附作用来达到烟气的净化目的[10]。海水脱硫工艺大约能减少98%的SO2排放和55%的PM排放[11]，该工艺受到沿海国家的重视，目前已被广泛用于发电厂、炼油厂等工业锅炉。为了减少船舶尾气排放，海水脱硫工艺也被逐渐用于船舶上。

2.2 使用轻油

另一种方案是用MGO（0.1%S）替代HFO（3.5%S）。由于MGO含硫量较少，燃用MGO能直接减少硫排放。MGO替代HFO不需要额外的技术投资，主要增加的是油耗成本。由于MGO价格较高，为了节约成本，船东可以在进入ECA和靠泊时燃用MGO，在其余航段燃用HFO。

2.3 岸电技术

船舶岸电技术指船舶在靠泊期间，关闭船舶发动机，改用码头上的电源供电。船上的备用岸电箱通过连接电缆与码头上的岸电箱相连，实现对船舶的供电。在靠泊期间，相对于使用重油，船舶使用岸电能大幅减少大气污染物的排放[12]。目前，国外一些先进港口已经采用了岸电技术，包括洛杉矶港、哥德堡港、鹿特丹港等，我国的上海港、蛇口港等也建成了岸电系统。

3 不同措施的成本-效益分析

3.1 成本分析

3.1.1 海水脱硫工艺成本。船舶安装海水脱硫工艺后，即使燃用含硫量较高的HFO，SO2的排放量仍可减少98%。海水脱硫工艺的成本主要是安装设备时的初始投资以及年运营维护费用，见表1[11]。

表1 海水脱硫工艺成本

3.1.2 使用轻油成本。船舶从HFO转换成MGO，不需要额外的初始投资。主要的成本变化是使用较贵的MGO后增加的油耗成本，即:

由于不同燃油热值不同，船舶燃油消耗量会有一定差别，但目前没有文献在该方面展开进一步研究。本文参照《运输船舶燃油消耗量第1部分：海洋船舶计算方法》（GB/T 7187.1-2010），假设船舶燃用MGO或HFO的耗油量相同，耗油量估算方法为：

式中：a—船舶载重量对主机燃油消耗量的影响系数，见表2[13]；D1、D0—船舶实际载重量和额定载重量，t；Pm、Pa—主、副机额定功率，kW；LFmj、LFaj—主、副机在第j种工况下的负载系数；gm、ga—主、副机额定功率燃油消耗率，g·kWh；tj—船舶第j种工况的运行时间，h。

表2 船舶载重量对主机燃油消耗量的影响系数

3.1.3 岸电成本。对于船舶而言，采用岸电系统成本主要包括购买及安装电气设备产生的初始投资以及年运营维护费用，见表3[5]。船舶在靠泊过程中使用电力会节约一定的能耗成本。

表3 岸电成本

3.2 环境效益分析

大气污染物对动植物、建筑物等都有负面影响，治理这些污染物需要巨资。将大气污染物治理费用和经济损失视为其环境成本，见表4［14］。

表4 大气污染物的环境成本

不同措施将在一定程度上减少大气污染物的排放，可将减少的大气污染物转换为经济价值，即环境效益。不同措施带来的环境效益为：

式中：s—不同的减排方案；EBs—方案s年平均环境效益，$；k—大气污染物的种类；DEsk—采用方案s一年减少的k污染物排放量，t；ECk—k污染物的单位环境成本，$·t。

3.3 成本-效益分析

不同措施的成本构成不同，海水脱硫工艺和岸电都需要一次性的设备购置费用和安装费用投入，以及每年支出的运营维护成本，而使用MGO不需要初始投资，主要成本为使用MGO后每年产生的替代成本。由于海水脱硫工艺和岸电等设备的使用年限可能不同，为了便于对比各种措施，将成本均摊到各年份，即转化为年平均总成本：

式中：ATCs—方案s的年平均总成本，$；ICs—方案s的一次性初始投资，$；ACs—方案s的年运营维护成本或替代成本，$；r—折现率；i—设备使用年限。

则不同措施年平均收益为：

式中：EANBs—方案s的年平均收益，$；EANBs的值越高，说明产生的社会效益越高。

此外，由于不同措施的投入与收益值都不尽相同，本文引入投资收益比，以比较不同措施的资金利用效率，计算公式为：

式中：IRs—方案s的投资收益比，IRs的值越高，说明方案的资金利用效率越高。

在ATCs、EANBs、IRs三个指标中，不同责任方可能会选择不同的指标来衡量各措施的优劣。船东从以最小成本满足ECA内相关规定的角度出发，可能会选用ATCs指标。而社会相关公益部门从社会效益最大化角度出发，可能会选用EANBs和IRs指标评价不同措施。

4 船舶尾气排放计算方法

4.1 尾气排放计算方法

船舶大气污染物排放计算方法主要包括两种：自上而下统计法（Top-to-down）和由下而上动力法（Bottomto-up）。自上而下统计法是从宏观层面出发，根据船舶消耗的燃油量直接乘以排放因子计算出大气污染物排放量；由下而上动力法是从微观层面出发，根据船舶主副机不同工况下的功率、时间等因素分别计算各阶段的大气污染物排放量。考虑到不同计算方法的特点，本文采用由下而上动力法计算船舶尾气排放量。

船舶一个往返航次包括巡航、进出港、靠泊3种工况。在3种工况下，副机一直处于运行状态，主机在海上航行和进出港过程中运行，在停泊时关闭，此时由副机提供船舶停泊过程中空调、制冷、采暖、照明等活动所需的能量。对于一个往返航次，船舶大气污染物的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[15]。根据由下而上动力法，船舶一个航次的大气污染物排放量为：

式中：Ek—单航次中第k种污染物的排放量，t；EFmk、EFak—主、副机关于第k种污染物的排放因子，g·kWh；LLAM—低负载校正因子，FAM—燃油校正因子。

4.2 主、副机功率

船舶主尺度、运力、主机型号和主机额定功率等信息可在劳氏船级社中查得。加州空气资源委员会统计出不同船型船舶副机功率相对于主机功率的平均百分比[16]，见表5。

表5 不同类型船舶副机功率与主机功率平均比值

4.3 主、副机负载系数

船舶正常海上航行时，主机负载系数为常数83%，而航速低于正常航行速度时，主机负载系数将会降低，此时，主机负载系数计算公式为[17]：

式中：AS—船舶实际航行速度，Knot；MS—船舶最大设计航速Knot。

副机负载系数与船舶的种类以及行驶状态相关。不同航行状态下的副机负载系数见表6[17]。

表6 副机负载系数

4.4 排放因子

本文参考Entec的研究，主、副机的排放因子见表7[17]。船舶靠泊连接岸电后，虽然主、副机停止工作，但是发电站提供电能也会产生大气污染物排放，在考虑社会环境效益时，这部分排放也需考虑在内。火力发电排放因子[18]见表7。

表7 主、副机及火力发电排放因子

在主机负载低于20%时，部分大气污染物排放量会相应上升，此时需要引入低负载校正因子对主机排放因子进行校正。此外，表7中主、副机排放因子的确定均基于含硫量为3.5%的燃油。

5 实例分析

5.1 船舶及运营信息

船舶MSC Linzie从事港口A和港口B之间的集装箱班轮运输，船舶参数见表8，两港均位于硫排放控制区内，航线距离约为1 000海里，船舶各航次载箱率为90%，载重量为额定载重量的80%，在日常运营中，船舶在硫排放控制区的行驶距离为整个航次的30%，海上航行航速为最大设计航速的94%，离岸12海里备车机动航行进/出港，平均航速为6节，在各港口均为24h作业，集装箱装/卸效率均为500TEU/h，货物卸完后立即装货，主副机之前均使用含硫量为3.5%的HFO。现有以下方案可使船舶尾气排放满足ECA的相关法规：（1）ECA区域内开启海水脱硫装置；（2）ECA区域内使用MGO（含硫量为0.1%）；（3）ECA区域内航行阶段使用MGO、靠泊阶段使用岸电。现通过计算不同方案的成本和环境效益，选出投资收益比最高的为候选方案。

表8 船舶信息

5.2 成本-效益分析

已知：r=6%；HFO和MGO参考2016年4月22日上海港的价格，分别为208/$·t-1和470/$·t-1。计算得出不同方案的成本、年环境效益、年平均收益以及投资收益比等指标，计算结果见表9。

表9 不同方案的成本-效益对比

根据表9，对于船MSC Linzie，采用海水脱硫工艺的投资收益比高达32.90，为最优方案。

在成本方面，海水脱硫工艺的初始投资高，但其年运营维护成本极低，平均每年仅需耗费708 471美元。而对于ECA内使用MGO或联合使用MGO和岸电两种方案，虽然不需要初始投资或初始投资较低，但是，由于船舶整个航次中有30%在ECA内航行，使用价格高昂的低硫燃油会产生巨大的替代成本，导致两种方案的年平均总成本高达3 509 355美元和3 277 683美元，约为海水脱硫工艺的5倍。

在环境效益方面，联合使用MGO和岸电的减排效果最好，环境效益最高，最终年平均收益也最高。但是从资金利用效率角度出发，ECA内使用海水脱硫工艺，仅需极少的投资就能带来巨大的环境效益，投资收益比最高。因此，ECA内使用海水脱硫工艺为最优方案。

5.3 敏感性分析

不同方案的成本和环境收益受诸多因素的影响。对于所有方案，在ECA区域内的行驶距离将对成本和环境收益产生直接影响；方案2、3中MGO和HFO的差价是基于上海港2016年4月22日的数据，由于燃油价格波动非常大，具有不确定性。此外，对于方案3，使用岸电成本的变化也会使年平均成本发生变化，导致投资收益比变化。现本文需要对ECA内航行距离、燃油差价、岸电成本等因素进行敏感性分析。

5.3.1 ECA内航行距离敏感性分析。ECA内航行距离敏感性分析结果如图1所示。采用海水脱硫工艺的投资收益比随着船舶在ECA内航行距离占整个航次比例的增加而增长，而其余两个方案的投资收益比不断降低。对于案例船舶，在ECA范围内航行比例小于9.7%时，联合使用低硫燃油和岸电的投资收益比最高，否则使用海水脱硫工艺的投资收益比最高。

图1 ECA内航行距离敏感性分析

5.3.2 燃油差价敏感性分析。燃油差价敏感性分析结果如图2所示。燃油差价的变动不改变海水脱硫工艺的投资收益比。使用MGO、联合使用MGO和岸电两种措施的投资收益比随MGO和HFO差价的增加而降低。对于案例船舶，当燃油差价低于77.6$/t时，联合使用低硫燃油和岸电的投资收益比最高；当燃油差价高于77.6$/t时，ECA区域内使用海水脱硫工艺的投资收益比最高。

5.3.3 岸电成本敏感性分析。燃油发电和岸电成本差敏感性分析结果如图3。对于30%的航次都在硫排放控制区的MSC Linzie来说，使用岸电节约的成本仅占极小的比例，岸电成本的变化对各方案的投资收益比几乎没有影响，无论岸电成本如何变化，使用海水脱硫工艺的投资收益比始终保持最高。

图2 油价差敏感性分析/$·t-1

图3 燃油发电和岸电成本差敏感性分析

6 结语

在成本支出方面，海水脱硫工艺初始投资最高，联合使用MGO和岸电次之，使用MGO无需额外的初始投资。但是，海水脱硫工艺的年运营维护费用远低于其余两种方案，当船舶日常运营航线经过ECA区域的范围较大时，海水脱硫工艺成本支出将远小于其它方案。

在环境效益方面，ECA区域内航行阶段使用MGO、靠泊阶段使用岸电的减排效果最好，能大量减少大气污染物的排放，带来巨大的环境效益。

综合考虑资金的投资收益比，对于案例船舶，当MGO和HFO的差价为262$/t时，只要ECA内航行距离占整个航次的比例大于9.7%，使用海水脱硫工艺的投资收益比最高，否则联合使用低硫燃油和岸电的投资收益比最高；当ECA范围内航行距离占整个航次的比例为30%时，燃油差价高于77.6$/t，使用海水脱硫工艺更适宜。

不同方案的投资收益比取决于ECA内航行距离、燃油差价、岸电成本等因素：一方面需要考虑船舶行驶的航线特点，若船舶在ECA区域内航行时间占有较大比重，则采用海水脱硫装置的性价比最高，因为海水脱硫装置的运营成本低，长时间在ECA区域内航行所消耗的成本远低于使用MGO产生的替代成本；另一方面对于一艘特定船舶，除了考虑其航线特点外，MGO和HFO的燃油差价、岸电成本等因素也会影响不同方案的投资收益比，油价差越小、岸电成本越低，使用MGO或联合使用MGO和岸电两种方案的可能性越大。

本文的研究方法有助于环境监管部门和船东从平衡有形成本支出和社会环境效益角度对船舶的减排措施做出决策。

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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，山东青岛人，青岛远洋船员职业学院教学工作部主管，工程师。