集装箱港口设备碳排放量化方法探究—以A港口为例

（南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037）

1 引言

随着现代物流业和国际贸易的快速发展，全球集装箱运输一直保持着较高的发展势头。据2015年各港口集装箱吞吐量排名，我国港口集装箱吞吐量已经居世界首位，世界十大港口中有七个在我国。而由于集装箱货运量巨大，大型设备多，装卸工艺复杂，在港口作业过程中能源消耗大，且产生大量的二氧化碳及其他有害气体，而这正是导致环境污染以及PM2.5不断升高的主要原因之一，因此建设绿色低碳港口，降低我国集装箱码头的碳排放量势在必行。

实现绿色低碳物流，主要表现为两个方面：绿色设计（Green design）、绿色运作（Green operations）[1-2]。绿色设计主要表现为先进设备的引进、环保材料的利用、工业污染排放物的净化、环保政策的制定等；绿色运作强调生产运营过程中，通过合理安排生产计划、合理分配资源、制定有效的调度管理方案等，从而降低能源消耗、减少碳及其他有害物的排放量。本文从绿色运作角度出发，针对港口三大主要设备资源，即岸桥、集卡和龙门吊，对其作业运营过程中所产生的碳排放进行量化，并分析港口各设备的能耗占比，从而能够更有针对性地提出节能减排的有效对策。

2 港口作业系统

集装箱港口主要设施包括：泊位、堆场、岸边装卸机械（岸桥）、水平搬运机械（集卡）及堆场装卸机械（场桥）等装卸搬运设备。港口作业流程如图1所示，以卸船过程为例，货船停靠在泊位中，岸桥负责将集装箱从船上卸下来，并将其移动到集卡上，集卡把集装箱从岸边装卸区转移至堆场存储区，场桥将集装箱安放在其确定的储位上，装船过程与卸船过程顺序相反。由此可知，港口的装卸任务需要港口资源在协作下共同完成，其中任何一个设备的故障或调度策略改变都会对其他设备的运作以及港口效率产生影响。但是，由于港口问题的复杂度，以往研究多集中在单设备资源调度问题上，但此类问题中由于未考虑不同资源间的相互协调关系，只能保证局部最优而不能保证港口问题的整体最优化[3]。

图1 集装箱港口作业示意图

集装箱港口作为重要的集疏运节点，在国际物流中具有很重要的地位，其中包含泊位、码头前沿、集装箱堆场等多种设施。其间还需要各种集装箱装卸设备、运输设备，这样才能维持港口正常运作。而在港口整个运营过程中，集装箱装卸作业产生的能源消耗和碳排放量在总体能源消耗中占有重要比例，大约占据了总体的80%。因此，为减少集装箱港口的能耗和碳排放，就必须从操作层面上对集装箱装卸作业所产生的碳排放量进行量化，并找出产生原因。目前，我国的主要能量来源仍然是柴油与电力，太阳能等清洁能源仍然是作为辅助能源存在的，在港口设备中，耗电主要来自于岸桥的使用，而柴油的消耗则主要来自集卡和轮胎式起重机等。

计算港口碳排放主要是通过计算集装箱牵引拖挂车、龙门起重机等装卸设备作业时消耗的燃油量，并转化为碳排放量，另外还要计算港口岸桥等用电设备消耗电能引起的碳排放量，然后将电能引起的碳排放量与燃油引起的碳排放相加，计算得出港口碳排放量的总和。

3 港口碳排放量化方法

3.1 方法介绍

碳排放计算方法的分类标准比较多，但是使用较多的一般是宏观和微观两类。其中宏观的计算方法主要是从概念性解释方面给出碳排放核算的方法，微观的估算方法则是按照不同排放源的类型估算碳排放量[4]。具体方法如下：

（1）排放因子法。排放因子法（Emission-Factor Approach）是由IPCC提出的碳排放估算方法，该方法是目前应用范围较广的一种方法，排放因子法主要是用碳排放源的数值乘以排放因子，最终的计算结果会作为该碳排放源的碳排放估测值。

排放因子法的计算公式为：Emission=AD×EF，其中Emission为该碳排放项目中碳排放量实际值；AD为碳排放清单中记录的相关碳排放源的数据值；EF为排放因子，即单位某排放源所释放的温室气体数量。

（2）质量平衡法。质量平衡法（Mass-Balance Approach）是近年来提出的一种新方法，其操作方法相对另外两种方法可以明显地区分出各类设备之间的碳排放差别，而且可以进行比较，对于各个碳排放地区的碳排放量可以进行实际计算，更加合理有效。当设备更新比较频繁时，这种方法更为方便。

（3）实测法。实测法（Experiment Approach）是通过对排放源的碳排放量进行实际监测，然后汇总实际监测得到的排放源碳排放量的方法。由于该方法的中间环节少，因此结果相对比较准确，但资金投入比较大，数据获取相对困难。此外，由于该方法受到样品采集和处理的代表性、测量精度等因素的影响较大，一旦样品选择不合适将会对最终的数据有很大的影响。目前，实测法在实际生活中的应用还比较少。

由于集装箱港口作业系统相对稳定且排放源并不复杂，并且考虑到集装箱码头企业获取相关数据采集的方便性及准确性，一般都认为碳排放因子在使用过程中的取值不变。本文计算以能源种类为根据，不同种类能源的碳排放系数不一样，然后根据设备参数计算出准确的能源消耗量，这样就可以计算出各设备、各种能源碳类型的碳排放量。

在港口各设备能耗中，计算碳排放量的设备主要有使用柴油的装卸设备和使用电力的装卸设备：

（1）使用柴油的装卸设备的碳排放：

使用柴油引起的碳排放量=行程距离×燃油碳排放系数（E）

（2）使用电力的设备消耗引起的碳排放：

使用电力引起的碳排放量=耗电量×电力碳排放系数（F）

3.2 碳排放系数的确定

碳排放系数是用于计算消耗单位质量或体积能源所产生的温室气体所转化成的二氧化碳的量[5]。

（1）燃油碳排放系数E。根据相关统计数据以及《2006年IPCC国家温室气体清单指南》，可以得出我国汽油和柴油的低位热值和单位热值C02排放系数取值，为简化计算过程和计算结果，假设燃油消耗时的氧化率为100%，由于汽油和柴油比重值不同，分别为0.72kg/L和0.85kg/L，则通过计算得出汽油和柴油的CO2排放系数分别为2.15kg/L和2.65kg/L。

（2）电力碳排放系数F。本文根据2013年中国各区域电力排放因子数值来计算港口使用电力的各设备碳排放量，见表1。可以根据港口所在区域选取相对应的碳排放系数。

表1 2013年中国区域电网基准碳排放因子数值

4 实例分析

本文以江苏某港口为例，该港口共布置了四个集装箱专用泊位，四个泊位总长为1 600m。该港口装卸运输的机械设备如下：岸桥14台、轮胎式起重机20台、集卡40台，其中岸桥是利用电力驱动，而轮胎式起重机和集卡都是由柴油驱动。该港口岸桥与集卡的利用率相同，均为60%，而轮胎式起重机的利用率为40%，该港口的电力碳排放系数取华东地区电网，即0.811 2，参见表1。

船上集装箱的区域主要是依据贝位来进行划分，通常情况下，各个划分区域配备一台岸桥，每台岸桥一次操作能够吊取两个集装箱。以卸船过程为例，集装箱在港口的整个作业流程依次是船舶、岸桥、集卡、堆场，集卡到达堆场后，如果有集装箱需要出口，集卡还需要负责将集装箱运输至岸桥指定的堆存区，等待岸桥装船，反之集装箱则进行空驶。以下分别计算在港口运营阶段，岸桥、集卡和轮胎式起重机的能量消耗以及相应的碳排放量[5]。

（1）岸桥的年耗电量。设备参数设置：Ni-第i台岸桥的年操作次数，Ti-岸桥的年操作次数，ti-岸桥单次操作时间，tui-岸桥起升时间，tli-岸桥水平运输时间，Wi-每台岸桥的年耗电量，nq-岸桥的数量，ρq-岸桥的利用率为60%，Vui-岸桥起升速度为90m/min，Vli为小车速度200m/min，Hqi-岸桥吊抓集装箱的起升高度为45m，Rqi-岸桥外伸距为60m，Di-集卡至岸桥轨道距离为10m，Pui-起升电机功率为500kW，Pli-小车电机功率为250kW。

每台岸桥的耗电量Wi为：

由上可知，此港口14台岸桥耗电量总量W为：

（2）轮胎式起重机年耗油量。设备参数设置：Nci-第i台轮胎式起重机的年操作次数，nc-轮胎式起重机的数量，Cc—轮胎式起重机年耗油量，tcui-轮胎式起重机起升时间，tcli-轮胎式起重机的水平运输时间，Vcui-轮胎式起重机的起升速度为13m/min，Vcli-小车速度为50m/min，Hcui-起升高度为16m，ρci-轮胎式起重机利用率为40%，Sci-小车平均水平运距为30m，ηci-轮胎式起重机使用柴油的燃油耗率为450g/KW·h，Pcui-起升电机功率为110kW，Pcli-小车电机功率为40kW。则：

此港口20台轮胎式起重机的耗油量Cc计算为：

（3）集卡年耗油量。集卡在空驶和装载集装箱时的燃油消耗率是不同的，装载时的燃油消耗率高于空驶时的消耗率，集卡空驶时的燃油消耗率为0.8L/km,装载行驶时燃油消耗率为1.2L/km。假设集卡执行任务是装载状态，回程时为空载状态。

设备参数设置：Cj-集卡年耗油总量L，ny-集卡数量，ρji-集卡利用率为60%，Vji-集卡平均运行速度为25km/h，ηji-集卡拖箱耗油率为1L/km，ηji'-集卡空车耗油率为0.7L/km。则：

（4）该港口的年碳排放强度

其中，EC×（Cj+Cc）为直接排放量，E×W为间接排放量。Ec即柴油的CO2排放系数为2.65kg/L，Cj即集卡年耗油量为4 467 600L，Cc即轮胎式起重机年耗油量为3 036 314L，E即华东地区电网电力碳排放系数为0.811 2，W为32 022 662kW·h。

（5）集装箱港口的单箱碳排放量（kg/TEU）

其中，Ni为岸桥年操作总次数，Xi为岸桥一次操作吊取的集装箱个数。

根据以上计算结果可知，岸桥、集卡、场桥的碳排放量分别为25 976 783kg、11 839 140kg、8 046 232kg，如图2所示。由此，可得出港口各设备碳排放量占比，以及电力和柴油不同能源间碳排放量占比。

图2 港口岸桥、集卡、场桥在运营阶段的碳排放量

由以上结果可知，集装箱港口能源消耗中，岸桥是能源消耗占比最大的，约占57%，而场桥碳排放量和集卡碳排放量相对较少，分别是26%和17%。为在保证港口运营效率的同时，减少能源消耗和碳排放，应在满足作业任务量的前提下，尽量提高各装卸设备间的协作关系，优化不同设备的调度方案，包括优化集卡运输路径，完善岸桥以及场桥的调度作业顺序，从而达到减少装卸设备等待或空闲时间、降低设备能耗量及碳排放量的目的。本案例分析中有14台岸桥，20台轮胎式起重机和40台集卡，各设备的数量也是影响港口能耗的重要因素之一，因此如何确定合适的设备数量也是优化港口作业方案中需要解决的问题之一。在港口运营过程中，装卸运输设备在没有任务调配的情况下处于闲置状态，在资金充足的前提下，港口岸桥或龙门吊等设备数目的确定，一般都以港口货物运输量最饱和的状态作为标准进行设置，但在一般情况下，集装箱的数量往往达不到最高标准，所以其中一部分设备资源得不到利用，造成港口设备资源的浪费。再者，集卡运输集装箱去堆场，到达堆场之后很大一部分集卡没有接到集装箱需要出口的任务，从而导致集卡要空驶回去，这也十分不利于提高资源和设备利用率。在此基础上，港口就必须要重视设备空闲时间的配置问题，从而减少不必要的碳排放和资源浪费。另外，在集装箱港口不同种类能源消耗占比中，电力消耗占比57%,由于我国电力来源主要是通过火力发电，最终还是转化为碳排放及其他有害气体，所以归根结底使用电力资源作为港口生产运营的主要动力来源并不符合绿色环保和可持续发展的理念，所以现代港口需要改变能源消耗结构，使用清洁能源或新能源替代原有能源，从而真正实现低碳港口和绿色物流建设的最终目标。

5 总结

集装箱港口的快速发展推动了现代物流业的进步并拉动了社会经济的增长，但同时也造成了严重的环境污染问题，为此，建设低碳港口成为大势所趋。在此背景下，本文从港口运营过程的角度出发，对港口主要设备资源岸桥、集卡和场桥的碳排放进行量化，通过具体案例分析发现，三大主要设备中岸桥为主要碳排放源，而在能源消耗中，电力消耗为主要碳排放源，据此可以采取有效的节能减排策略。在今后的研究中，港口设备数量以及不同设备间的协作关系可作为研究重点，从而进一步提高港口效率、设备利用率、降低港口碳排放量。