重载铁路反向运输碳减排效果案例研究

张海山　张剑铠　张永恒　秦进

摘要：中国重载铁路普遍存在双向运量不均衡和反向运力浪费问题。为充分利用反向运输能力，从运输链的视角出发，构建了重载铁路运输链碳排放估算模型，重点细化了重载铁路反向运输七个阶段的碳排放，并与基准链反向运输碳排放进行了对比。案例结果表明：重载运输链反向运输的综合碳排放因子为12.495 gCO2/（t·km），相较于基准链的49.759 gCO2/（t·km）减少了四分之三。从降低反向运输碳排放量角度出发，重载铁路对公路运输的替代率是关键，采用重载铁路方式运输能够带来明显的碳减排效果。

关键词：碳排放因子；碳排放估算模型；重载运输链；基准链；公转铁

中图分类号：X22 文献标志码：A

前言

中国重载铁路普遍存在双向运量不均衡的问题，即去程方向运力不足、回程方向运力长期虚糜，是制约重载运输发展的短板。但是，与公路运输相比，铁路运输在碳减排方面具有一定的优势。

在此背景下，通过“公转铁”的方式降低货物运输的碳排放成为了国内外学者研究的热点。考虑全生命周期或者全运输链的铁路行业碳排放测算的相关研究中，诸立超从全生命周期视角构建了货运能耗测度和节能潜力分析框架，可应用于包含公路、铁路和水路等若干运输方式的集装箱货运通道。Tao引入了半生命周期的概念，从运输链的角度计算集装箱运输的二氧化碳排放。Merchan将铁路货运系统分为铁路运营、铁路车辆和铁路基础设施三个子系统，使用LCA方法对比利时铁路货运网络展开研究，对比分析了内燃机车和电力机车分别牵引下的铁路货运系统的环保性。

基于全生命周期或者全运输链的方法来测算铁路运输碳排放已展开了一些的研究，但是大多数以高速铁路或多式联运为研究对象，鲜有专门针对重载铁路各阶段碳排放的研究。文章建立了运输链碳排放估算模型（TCA，Transportation Chain As-sessment），计算得到重载铁路、公路反向运输链全程的碳排放量及运输链单位货运周转量的碳排放量（即综合碳排放因子）。

1 重载铁路双向运输链能耗分析

中国西部地区煤炭资源丰富，主要集中在山西、陕西、内蒙古西部（以下简称：“三西”地区），而消费地多集中在东南沿海和南方等地区，这导致煤炭产销地之间存在空间差异，形成了煤炭产地与消费地间的运输需求。通常，“三西”地区的煤炭等货物采用重载铁路运往东部港口，这个过程称为正向运输，回程则称为反向运输，若回程的货物采用公路运输方式，一来一回的运输过程形成双向运输基准链。正、反向运输均采用重载铁路的货物运输过程称为重载铁路双向运输链（以下简称：重载运输链）。

重载铁路反向运输是指大宗货物利用重载铁路回空方向的富余运力开展运输业务，促进双向运输均衡发展的方式。重载铁路反向运输链能耗根据运输组织过程可分为七个阶段，第一阶段，调车机车牵引空车前往各个装车点或堆场过程的能耗；第二阶段，装卸设备例如斗轮式堆取料机、带式输送机等装车过程的能耗；第三阶段，调车机车从装车点或堆场牵引重车送往调车场集结并送至发送场过程的能耗；第四阶段，由货运机车牵引重车从发送场出发反向送往卸车端到达场的运输过程的能耗；第五阶段，调车机车牵引重车去往卸车点的能耗；第六阶段，重车到达卸车点后卸车设备例如翻车机、螺旋卸车机、臂式堆料机等卸车过程的能耗；第七阶段，调车机车牵引空车去往存车线的能耗。

2 双向运输链TCA碳排放估算模型

基准链与重载运输链的正向运输过程均采用重载铁路运输方式。对于基准链而言，TCA是指正向采用重载铁路运输方式及反向采用公路运输方式进行货物装卸、运输的过程。对于重载运输链而言，TCA是指正、反向均采用重载铁路运输方式在装车端与卸车端之间七个阶段的整合。两种运输链主要由装卸设备、运输设备、运输对象等组成。

2.1 重载运输链TCA碳排放估算模型

由于重载运输链与基准链正向运输方式及过程相同，故文章重点研究二者反向运输过程的差异。因为反向运输中各种耗能设备的能源消耗量难以通过实测方式获取，所以文章采取基于活动的评估方法，即采用货物周转量、设备能耗强度及各能源的碳排放因子计算某次货物运输全过程的碳排放量。文章根据正向运输及重载铁路反向运输七个阶段的能耗过程，建立重载铁路双向运输链的TCA碳排放估算模型。

Ce= Cpe +Cf +Cs +Ct +Co +Cv +Cx +Cn式（1）

式（1）中，Ce为重载运输链的碳排放总量，g；Cpe为重载运输链中正向运输产生的碳排放量，g；Cf、Cs、Ct、Co、Cv、Cx、Cn分别为反向运输第一至第七阶段的碳排放量，g。

各机车及装卸设备的单位货运周转量（或装卸单位重量货物）的碳排放量计算如式（2）：

et=It·Fy·Ry式（2）

式（2）中，et为机车或装卸设备t（t={a，b，h}）单位货运周转量的碳排放量，gCO2/（t·km）；It为机车或装卸设备t的单耗，g/（t·km）；Fy为能源y的热值，GJ/g；Ry为能源y的碳排放因子，gCO2/GJ。

3 案例分析

3.1 案例及模型参数

该案例以重载铁路运输通道H反向运输链的活动为研究对象，定义ltm - ssgt方向为反向运输方向，将一批共200 kt的货物分别从ltm、snb、SJ、scn站接入，运送到ssgt站，途经SH、SS铁路，该区段运输全部采用电力牵引，见图1。

在电力机车运行速度为48.9 km/h、牵引重量为3 528 t的情况下，根据相关综合模型测算数据，并对货运单耗进行数据修正，得到相应的不同电力机车类型单位货运周转量的碳排放量，SS3、SS4、调车机车的单位货运周转量的碳排放量分别为8. 953、9.270、10. 816 gCO2/（t·km）。铁路装卸设备单位货运周转量的碳排放量（或装卸单位重量货物）的碳排放量如表1所示。公路运输采用重型货车，单位货运周转量的碳排放量取值为49.0 gCO2/（t·km）。

200 kt的货物从ltm、snb、SJ、scn站接入，运送到ssgt站的需求OD矩阵（单位：lOkt）及距离OD矩阵（单位：km）见图2。

此案例中选取了2个装车点装车，开往卸车站附近的2个卸车点，重载铁路反向运输的其他相关参数值（以ltm - ssgt为例，其他路径除装卸货重量以及运输距离不同外，相关参数与ltm - ssgt路径保持一致）如表2所示。公路装卸货重量为100 kt，装车采用单斗装载机，卸车采用车辆白卸的方式，运输距离797 km。

3.2 结果分析

通过分析基准链和重载运输链的反向运输碳排放过程，计算得到分别从ltm、snb、SJ、scn站出发，到达ssgt站的货物运输碳排放总量以及两条运输链反向运输的综合碳排放因子如表3所示。从表3可以看出，运距越长、运输量越多的路径碳排放量越大，其中基准链中ltm - ssgt路径碳排放量最大，是对应重载运输链反向运输路径碳排放的4. 15倍。重载运输链反向运输总碳排放量为1 555. 55 t，约为基准链反向运输碳排放量的四分之一，重载铁路反向运输对公路货运替代的碳减排效果显著。通过对比，可知重载铁路链反向运输的综合碳排放因子为12. 495 gCO2/（t·km），远低于基准链反向运输的综合碳排放因子49. 759 gCO2/（t·km）。因此，相对于公路运输方式，重载铁路运输在货运量大、运距长的货物运输中具备更显著的碳减排优势，可以有效地减少碳排放。

4 结论

文章分析了基准链和重载运输链的碳排放，主要结论如下：基准链反向运输中，运距长且货运量大的ltm - ssgt路径碳排放量最大，是对应重载运输链反向运输路径的4. 15倍；重载运输链、基准链反向运输的综合碳排放因子分别为12. 495 gCO2/（t·km）、49. 759 gCO2/（t·km），重载运输链反向运输的碳排放因子仅为基准链反向运输的四分之一。重载铁路对公路运输的替代能够显著降低运输链总碳排放量。

基金项目：中国神华能源股份有限公司科研项目（2022 - 051）