丁方平

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071）

硫排放控制區(qū)內(nèi)船舶減排措施及效益分析

丁方平

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071）

針對(duì)日趨嚴(yán)格的排放控制區(qū)（ECA）船舶尾氣排放法規(guī)，安裝海水脫硫裝置、使用輕油（MGO）、聯(lián)合使用MGO和岸電為3種可選擇的方案。分析了不同方案的成本及環(huán)境效益，并引用投資收益比指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，環(huán)境監(jiān)管部門(mén)和船東可以根據(jù)結(jié)果科學(xué)制定船舶的減排措施。結(jié)果表明，投資收益比取決于ECA內(nèi)航行距離、重油（HFO）和MGO的差價(jià)以及岸電成本等多種因素。

海洋環(huán)境；硫排放控制區(qū)；減排措施；效益分析

1 引言

航運(yùn)在國(guó)際貿(mào)易和世界經(jīng)濟(jì)中的作用日益顯著，但其給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響亦引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，眾多國(guó)際組織紛紛出臺(tái)公約以減少船舶大氣污染物的排放。國(guó)際海事組織（IMO）MARPOL 73/78附則第VI條規(guī)定2015年1月后硫排放控制區(qū)（SECA）內(nèi)船舶燃油的含硫量不能超過(guò)0.10%[1]。我國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》在中國(guó)沿海地區(qū)劃定了3個(gè)ECA，規(guī)定2019年前進(jìn)入ECA范圍內(nèi)的船舶在停泊期間使用的燃油含硫量不高于0.5%，2019年起船舶在ECA范圍內(nèi)使用的燃油含硫量不高于0.1%，或采用一些等效替代措施來(lái)減少排放，包括尾氣處理裝置、岸電、清潔能源等[2]。

諸多學(xué)者對(duì)3種等效替代措施進(jìn)行了研究。李文[3]研究了鎂法、氨法、海水法等船舶尾氣脫硫工藝的機(jī)理和可行性；朱益民[4]歸納了包括替代燃油、船舶廢氣脫硫技術(shù)等在內(nèi)的船舶硫氧化物控制方法，并重點(diǎn)概述舶廢氣脫硫技術(shù)的研究進(jìn)展；Seddiek[5]、Tzannatos[6]、Adamo[7]等計(jì)算了船舶使用岸電的減排潛力；周松[8]對(duì)船舶使用低硫燃油、廢氣洗滌技術(shù)等技術(shù)方案的成本、環(huán)境影響、技術(shù)可行性進(jìn)行了研究；楊富龍[9]分析了低硫燃油的特點(diǎn)，提出船舶進(jìn)入SECA后換用低硫燃油的技術(shù)措施。

然而，極少有學(xué)者綜合對(duì)比不同措施的有形成本以及定量分析不同措施由于減排帶來(lái)的環(huán)境效益。對(duì)于一艘特定船舶，采取何種措施才能保證以較少的成本帶來(lái)較大的社會(huì)環(huán)境效益還有待研究。因此，本文將分析不同措施的成本，并采用自下而上的動(dòng)力法計(jì)算不同措施的大氣污染物排放量，以量化不同措施帶來(lái)的環(huán)境效益，最終采用投資收益比指標(biāo)對(duì)不同減排方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，這將有助于環(huán)境監(jiān)管部門(mén)或船東對(duì)船舶減排措施的采納做出科學(xué)決策。

2 船舶減排措施簡(jiǎn)介

2.1 海水脫硫工藝

海水脫硫工藝的原理是利用天然海水中的可溶鹽對(duì)煙氣中的SO2的吸附作用來(lái)達(dá)到煙氣的凈化目的[10]。海水脫硫工藝大約能減少98%的SO2排放和55%的PM排放[11]，該工藝受到沿海國(guó)家的重視，目前已被廣泛用于發(fā)電廠、煉油廠等工業(yè)鍋爐。為了減少船舶尾氣排放，海水脫硫工藝也被逐漸用于船舶上。

2.2 使用輕油

另一種方案是用MGO（0.1%S）替代HFO（3.5%S）。由于MGO含硫量較少，燃用MGO能直接減少硫排放。MGO替代HFO不需要額外的技術(shù)投資，主要增加的是油耗成本。由于MGO價(jià)格較高，為了節(jié)約成本，船東可以在進(jìn)入ECA和靠泊時(shí)燃用MGO，在其余航段燃用HFO。

2.3 岸電技術(shù)

船舶岸電技術(shù)指船舶在靠泊期間，關(guān)閉船舶發(fā)動(dòng)機(jī)，改用碼頭上的電源供電。船上的備用岸電箱通過(guò)連接電纜與碼頭上的岸電箱相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的供電。在靠泊期間，相對(duì)于使用重油，船舶使用岸電能大幅減少大氣污染物的排放[12]。目前，國(guó)外一些先進(jìn)港口已經(jīng)采用了岸電技術(shù)，包括洛杉磯港、哥德堡港、鹿特丹港等，我國(guó)的上海港、蛇口港等也建成了岸電系統(tǒng)。

3 不同措施的成本-效益分析

3.1 成本分析

3.1.1 海水脫硫工藝成本。船舶安裝海水脫硫工藝后，即使燃用含硫量較高的HFO，SO2的排放量仍可減少98%。海水脫硫工藝的成本主要是安裝設(shè)備時(shí)的初始投資以及年運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，見(jiàn)表1[11]。

表1 海水脫硫工藝成本

3.1.2 使用輕油成本。船舶從HFO轉(zhuǎn)換成MGO，不需要額外的初始投資。主要的成本變化是使用較貴的MGO后增加的油耗成本，即:

由于不同燃油熱值不同，船舶燃油消耗量會(huì)有一定差別，但目前沒(méi)有文獻(xiàn)在該方面展開(kāi)進(jìn)一步研究。本文參照《運(yùn)輸船舶燃油消耗量第1部分：海洋船舶計(jì)算方法》（GB/T 7187.1-2010），假設(shè)船舶燃用MGO或HFO的耗油量相同，耗油量估算方法為：

式中：a—船舶載重量對(duì)主機(jī)燃油消耗量的影響系數(shù)，見(jiàn)表2[13]；D1、D0—船舶實(shí)際載重量和額定載重量，t；Pm、Pa—主、副機(jī)額定功率，kW；LFmj、LFaj—主、副機(jī)在第j種工況下的負(fù)載系數(shù)；gm、ga—主、副機(jī)額定功率燃油消耗率，g·kWh；tj—船舶第j種工況的運(yùn)行時(shí)間，h。

表2 船舶載重量對(duì)主機(jī)燃油消耗量的影響系數(shù)

3.1.3 岸電成本。對(duì)于船舶而言，采用岸電系統(tǒng)成本主要包括購(gòu)買(mǎi)及安裝電氣設(shè)備產(chǎn)生的初始投資以及年運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，見(jiàn)表3[5]。船舶在靠泊過(guò)程中使用電力會(huì)節(jié)約一定的能耗成本。

表3 岸電成本

3.2 環(huán)境效益分析

大氣污染物對(duì)動(dòng)植物、建筑物等都有負(fù)面影響，治理這些污染物需要巨資。將大氣污染物治理費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)損失視為其環(huán)境成本，見(jiàn)表4［14］。

表4 大氣污染物的環(huán)境成本

不同措施將在一定程度上減少大氣污染物的排放，可將減少的大氣污染物轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)價(jià)值，即環(huán)境效益。不同措施帶來(lái)的環(huán)境效益為：

式中：s—不同的減排方案；EBs—方案s年平均環(huán)境效益，$；k—大氣污染物的種類(lèi)；DEsk—采用方案s一年減少的k污染物排放量，t；ECk—k污染物的單位環(huán)境成本，$·t。

3.3 成本-效益分析

不同措施的成本構(gòu)成不同，海水脫硫工藝和岸電都需要一次性的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用和安裝費(fèi)用投入，以及每年支出的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，而使用MGO不需要初始投資，主要成本為使用MGO后每年產(chǎn)生的替代成本。由于海水脫硫工藝和岸電等設(shè)備的使用年限可能不同，為了便于對(duì)比各種措施，將成本均攤到各年份，即轉(zhuǎn)化為年平均總成本：

式中：ATCs—方案s的年平均總成本，$；ICs—方案s的一次性初始投資，$；ACs—方案s的年運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本或替代成本，$；r—折現(xiàn)率；i—設(shè)備使用年限。

則不同措施年平均收益為：

式中：EANBs—方案s的年平均收益，$；EANBs的值越高，說(shuō)明產(chǎn)生的社會(huì)效益越高。

此外，由于不同措施的投入與收益值都不盡相同，本文引入投資收益比，以比較不同措施的資金利用效率，計(jì)算公式為：

式中：IRs—方案s的投資收益比，IRs的值越高，說(shuō)明方案的資金利用效率越高。

在ATCs、EANBs、IRs三個(gè)指標(biāo)中，不同責(zé)任方可能會(huì)選擇不同的指標(biāo)來(lái)衡量各措施的優(yōu)劣。船東從以最小成本滿足ECA內(nèi)相關(guān)規(guī)定的角度出發(fā)，可能會(huì)選用ATCs指標(biāo)。而社會(huì)相關(guān)公益部門(mén)從社會(huì)效益最大化角度出發(fā)，可能會(huì)選用EANBs和IRs指標(biāo)評(píng)價(jià)不同措施。

4 船舶尾氣排放計(jì)算方法

4.1 尾氣排放計(jì)算方法

船舶大氣污染物排放計(jì)算方法主要包括兩種：自上而下統(tǒng)計(jì)法（Top-to-down）和由下而上動(dòng)力法（Bottomto-up）。自上而下統(tǒng)計(jì)法是從宏觀層面出發(fā)，根據(jù)船舶消耗的燃油量直接乘以排放因子計(jì)算出大氣污染物排放量；由下而上動(dòng)力法是從微觀層面出發(fā)，根據(jù)船舶主副機(jī)不同工況下的功率、時(shí)間等因素分別計(jì)算各階段的大氣污染物排放量。考慮到不同計(jì)算方法的特點(diǎn)，本文采用由下而上動(dòng)力法計(jì)算船舶尾氣排放量。

船舶一個(gè)往返航次包括巡航、進(jìn)出港、靠泊3種工況。在3種工況下，副機(jī)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，主機(jī)在海上航行和進(jìn)出港過(guò)程中運(yùn)行，在停泊時(shí)關(guān)閉，此時(shí)由副機(jī)提供船舶停泊過(guò)程中空調(diào)、制冷、采暖、照明等活動(dòng)所需的能量。對(duì)于一個(gè)往返航次，船舶大氣污染物的排放量取決于運(yùn)輸航線、船舶載重量、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃料類(lèi)型和船舶營(yíng)運(yùn)條件等因素[15]。根據(jù)由下而上動(dòng)力法，船舶一個(gè)航次的大氣污染物排放量為：

式中：Ek—單航次中第k種污染物的排放量，t；EFmk、EFak—主、副機(jī)關(guān)于第k種污染物的排放因子，g·kWh；LLAM—低負(fù)載校正因子，F(xiàn)AM—燃油校正因子。

4.2 主、副機(jī)功率

船舶主尺度、運(yùn)力、主機(jī)型號(hào)和主機(jī)額定功率等信息可在勞氏船級(jí)社中查得。加州空氣資源委員會(huì)統(tǒng)計(jì)出不同船型船舶副機(jī)功率相對(duì)于主機(jī)功率的平均百分比[16]，見(jiàn)表5。

表5 不同類(lèi)型船舶副機(jī)功率與主機(jī)功率平均比值

4.3 主、副機(jī)負(fù)載系數(shù)

船舶正常海上航行時(shí)，主機(jī)負(fù)載系數(shù)為常數(shù)83%，而航速低于正常航行速度時(shí)，主機(jī)負(fù)載系數(shù)將會(huì)降低，此時(shí)，主機(jī)負(fù)載系數(shù)計(jì)算公式為[17]：

式中：AS—船舶實(shí)際航行速度，Knot；MS—船舶最大設(shè)計(jì)航速Knot。

副機(jī)負(fù)載系數(shù)與船舶的種類(lèi)以及行駛狀態(tài)相關(guān)。不同航行狀態(tài)下的副機(jī)負(fù)載系數(shù)見(jiàn)表6[17]。

表6 副機(jī)負(fù)載系數(shù)

4.4 排放因子

本文參考Entec的研究，主、副機(jī)的排放因子見(jiàn)表7[17]。船舶靠泊連接岸電后，雖然主、副機(jī)停止工作，但是發(fā)電站提供電能也會(huì)產(chǎn)生大氣污染物排放，在考慮社會(huì)環(huán)境效益時(shí)，這部分排放也需考慮在內(nèi)?；鹆Πl(fā)電排放因子[18]見(jiàn)表7。

表7 主、副機(jī)及火力發(fā)電排放因子

在主機(jī)負(fù)載低于20%時(shí)，部分大氣污染物排放量會(huì)相應(yīng)上升，此時(shí)需要引入低負(fù)載校正因子對(duì)主機(jī)排放因子進(jìn)行校正。此外，表7中主、副機(jī)排放因子的確定均基于含硫量為3.5%的燃油。

5 實(shí)例分析

5.1 船舶及運(yùn)營(yíng)信息

船舶MSC Linzie從事港口A和港口B之間的集裝箱班輪運(yùn)輸，船舶參數(shù)見(jiàn)表8，兩港均位于硫排放控制區(qū)內(nèi)，航線距離約為1 000海里，船舶各航次載箱率為90%，載重量為額定載重量的80%，在日常運(yùn)營(yíng)中，船舶在硫排放控制區(qū)的行駛距離為整個(gè)航次的30%，海上航行航速為最大設(shè)計(jì)航速的94%，離岸12海里備車(chē)機(jī)動(dòng)航行進(jìn)/出港，平均航速為6節(jié)，在各港口均為24h作業(yè)，集裝箱裝/卸效率均為500TEU/h，貨物卸完后立即裝貨，主副機(jī)之前均使用含硫量為3.5%的HFO?，F(xiàn)有以下方案可使船舶尾氣排放滿足ECA的相關(guān)法規(guī)：（1）ECA區(qū)域內(nèi)開(kāi)啟海水脫硫裝置；（2）ECA區(qū)域內(nèi)使用MGO（含硫量為0.1%）；（3）ECA區(qū)域內(nèi)航行階段使用MGO、靠泊階段使用岸電。現(xiàn)通過(guò)計(jì)算不同方案的成本和環(huán)境效益，選出投資收益比最高的為候選方案。

表8 船舶信息

5.2 成本-效益分析

已知：r=6%；HFO和MGO參考2016年4月22日上海港的價(jià)格，分別為208/$·t-1和470/$·t-1。計(jì)算得出不同方案的成本、年環(huán)境效益、年平均收益以及投資收益比等指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 不同方案的成本-效益對(duì)比

根據(jù)表9，對(duì)于船MSC Linzie，采用海水脫硫工藝的投資收益比高達(dá)32.90，為最優(yōu)方案。

在成本方面，海水脫硫工藝的初始投資高，但其年運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本極低，平均每年僅需耗費(fèi)708 471美元。而對(duì)于ECA內(nèi)使用MGO或聯(lián)合使用MGO和岸電兩種方案，雖然不需要初始投資或初始投資較低，但是，由于船舶整個(gè)航次中有30%在ECA內(nèi)航行，使用價(jià)格高昂的低硫燃油會(huì)產(chǎn)生巨大的替代成本，導(dǎo)致兩種方案的年平均總成本高達(dá)3 509 355美元和3 277 683美元，約為海水脫硫工藝的5倍。

在環(huán)境效益方面，聯(lián)合使用MGO和岸電的減排效果最好，環(huán)境效益最高，最終年平均收益也最高。但是從資金利用效率角度出發(fā)，ECA內(nèi)使用海水脫硫工藝，僅需極少的投資就能帶來(lái)巨大的環(huán)境效益，投資收益比最高。因此，ECA內(nèi)使用海水脫硫工藝為最優(yōu)方案。

5.3 敏感性分析

不同方案的成本和環(huán)境收益受諸多因素的影響。對(duì)于所有方案，在ECA區(qū)域內(nèi)的行駛距離將對(duì)成本和環(huán)境收益產(chǎn)生直接影響；方案2、3中MGO和HFO的差價(jià)是基于上海港2016年4月22日的數(shù)據(jù)，由于燃油價(jià)格波動(dòng)非常大，具有不確定性。此外，對(duì)于方案3，使用岸電成本的變化也會(huì)使年平均成本發(fā)生變化，導(dǎo)致投資收益比變化。現(xiàn)本文需要對(duì)ECA內(nèi)航行距離、燃油差價(jià)、岸電成本等因素進(jìn)行敏感性分析。

5.3.1 ECA內(nèi)航行距離敏感性分析。ECA內(nèi)航行距離敏感性分析結(jié)果如圖1所示。采用海水脫硫工藝的投資收益比隨著船舶在ECA內(nèi)航行距離占整個(gè)航次比例的增加而增長(zhǎng)，而其余兩個(gè)方案的投資收益比不斷降低。對(duì)于案例船舶，在ECA范圍內(nèi)航行比例小于9.7%時(shí)，聯(lián)合使用低硫燃油和岸電的投資收益比最高，否則使用海水脫硫工藝的投資收益比最高。

圖1 ECA內(nèi)航行距離敏感性分析

5.3.2 燃油差價(jià)敏感性分析。燃油差價(jià)敏感性分析結(jié)果如圖2所示。燃油差價(jià)的變動(dòng)不改變海水脫硫工藝的投資收益比。使用MGO、聯(lián)合使用MGO和岸電兩種措施的投資收益比隨MGO和HFO差價(jià)的增加而降低。對(duì)于案例船舶，當(dāng)燃油差價(jià)低于77.6$/t時(shí)，聯(lián)合使用低硫燃油和岸電的投資收益比最高；當(dāng)燃油差價(jià)高于77.6$/t時(shí)，ECA區(qū)域內(nèi)使用海水脫硫工藝的投資收益比最高。

5.3.3 岸電成本敏感性分析。燃油發(fā)電和岸電成本差敏感性分析結(jié)果如圖3。對(duì)于30%的航次都在硫排放控制區(qū)的MSC Linzie來(lái)說(shuō)，使用岸電節(jié)約的成本僅占極小的比例，岸電成本的變化對(duì)各方案的投資收益比幾乎沒(méi)有影響，無(wú)論岸電成本如何變化，使用海水脫硫工藝的投資收益比始終保持最高。

圖2 油價(jià)差敏感性分析/$·t-1

圖3 燃油發(fā)電和岸電成本差敏感性分析

6 結(jié)語(yǔ)

在成本支出方面，海水脫硫工藝初始投資最高，聯(lián)合使用MGO和岸電次之，使用MGO無(wú)需額外的初始投資。但是，海水脫硫工藝的年運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于其余兩種方案，當(dāng)船舶日常運(yùn)營(yíng)航線經(jīng)過(guò)ECA區(qū)域的范圍較大時(shí)，海水脫硫工藝成本支出將遠(yuǎn)小于其它方案。

在環(huán)境效益方面，ECA區(qū)域內(nèi)航行階段使用MGO、靠泊階段使用岸電的減排效果最好，能大量減少大氣污染物的排放，帶來(lái)巨大的環(huán)境效益。

綜合考慮資金的投資收益比，對(duì)于案例船舶，當(dāng)MGO和HFO的差價(jià)為262$/t時(shí)，只要ECA內(nèi)航行距離占整個(gè)航次的比例大于9.7%，使用海水脫硫工藝的投資收益比最高，否則聯(lián)合使用低硫燃油和岸電的投資收益比最高；當(dāng)ECA范圍內(nèi)航行距離占整個(gè)航次的比例為30%時(shí)，燃油差價(jià)高于77.6$/t，使用海水脫硫工藝更適宜。

不同方案的投資收益比取決于ECA內(nèi)航行距離、燃油差價(jià)、岸電成本等因素：一方面需要考慮船舶行駛的航線特點(diǎn)，若船舶在ECA區(qū)域內(nèi)航行時(shí)間占有較大比重，則采用海水脫硫裝置的性價(jià)比最高，因?yàn)楹Ｋ摿蜓b置的運(yùn)營(yíng)成本低，長(zhǎng)時(shí)間在ECA區(qū)域內(nèi)航行所消耗的成本遠(yuǎn)低于使用MGO產(chǎn)生的替代成本；另一方面對(duì)于一艘特定船舶，除了考慮其航線特點(diǎn)外，MGO和HFO的燃油差價(jià)、岸電成本等因素也會(huì)影響不同方案的投資收益比，油價(jià)差越小、岸電成本越低，使用MGO或聯(lián)合使用MGO和岸電兩種方案的可能性越大。

本文的研究方法有助于環(huán)境監(jiān)管部門(mén)和船東從平衡有形成本支出和社會(huì)環(huán)境效益角度對(duì)船舶的減排措施做出決策。

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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，山東青島人，青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院教學(xué)工作部主管，工程師。