Z港务公司靠港船舶大气污染排放量测算研究毕业论文
2020-02-15 22:27:53
摘 要
近年来，航运业发展欣欣向荣，各港口靠港船舶日趋增加，但由于船用柴油机的排放特性，随之带来的船舶大气污染物排放问题日渐成为困扰公众的重大环境问题。为了进一步进行船舶和港口污染防治工作并采取有力的减排措施，船舶排放量的测算显得尤为重要。本文便以Z港务公司集装箱港区为研究区域，对2018年该港区靠港船舶大气污染物排放量进行测算研究，通过国内外主流研究方法比对优选，确定了基于船舶活动状态的由下至上的动力法，建立数学模型，其核心参数为主辅机功率、不同船舶活动状态时间、排放因子和本土化修正系数。首先，通过系统抽样的方法对靠港船舶信息进行抽样处理，确定各吨位级别船舶参数；其次，通过典型船舶载重量、设计航速和主辅机功率之间的拟合情况，并考虑主辅机负载情况，对船舶主辅机功率进行估算，并优选了船舶排放因子，考虑了本土化的修正因子；最后，对Z港务公司靠港船舶大气污染物排放量进行测算，得到SOx、NOx、CO、HC和PM的排放总量分别为95.03t、343.06t、31.05t、14.42t、51.44t。通过该船舶排放结果的分析，得到该港区船舶排放的氮氧化物和硫氧化物比重大，针对性地提出了鼓励使用低硫油、推广港口岸电设施和大力推动LNG燃料的使用等合理的减排措施建议。
关键词：船舶大气污染物排放；主辅机功率；排放因子
Abstract
In recent years, the development of the shipping industry has been flourishing, and the port-to-port vessels have been increasing. However, due to the emission characteristics of marine diesel engines, the issue of marine air pollutant emissions has become a major environmental problem that has plagued the public. In order to further carry out ship and port pollution prevention and control and take effective measures to reduce emissions, the calculation of ship emissions is particularly important. In this paper, the container port area of Z Port Company is taken as the research area. The calculation of the air pollutant emissions of the port ships in the port area in 2018 is carried out. The comparison between domestic and foreign mainstream research methods is used to determine the status of the ship based on the activity status. The supreme dynamic method establishes a mathematical model whose core parameters are the main auxiliary machine power, different ship activity state time, emission factor and localization correction coefficient. Firstly, the system sampling method is used to sample the ship information of the port to determine the ship parameters of each tonnage level. Secondly, the fitting between the typical ship load capacity, the design speed and the main and auxiliary machine power, and the main and auxiliary machines are considered. Load situation, estimate the power of the ship's main and auxiliary engines, and optimize the ship's emission factor, taking into account the localization correction factor; Finally, the ship emission list of the port of Z Port is measured to obtain SOx, NOx, CO, HC and PM. The total emissions respectively were 95.03t, 343.06t, 31.05t, 14.42t, and 51.44t. Through the analysis of the ship's discharge results, the ratio of nitrogen oxides and sulfur oxides emitted by ships in the port area is significant, and take some reasonable measures of the use of low-sulfur oil, the promotion of port shore power facilities and the promotion of the use of LNG fuels are proposed to reduce emissions.
Key words：Ship air pollutant discharge; Main and auxiliary machine power; Emission factor
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状综述 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 主要研究方法和技术路线 3
1.3.1 研究方法 3
1.3.2 技术路线 3
第2章 Z港务公司靠港船舶大气污染物排放量测算思路 5
2.1 Z港务公司概况 5
2.2 测算范围确立 5
2.2.1 地域范围 5
2.2.2 船舶大气污染物排放类型 7
2.3 船舶活动数据采集 7
2.3.1 船舶自动识别系统 7
2.3.2 船舶活动状态划分 8
2.4 测算方法的概述和选用 9
2.4.1 国内外主流测算方法概述 9
2.4.2 测算方法的选用 10
第3章 测算模型和参数确定 11
3.1 测算模型建立 11
3.2 模型参数确定 11
3.2.1 船舶主、辅机功率 11
3.2.2 船舶主、辅机负载 16
3.2.3 拖轮功率确定 17
3.2.4 船舶活动时间 18
3.3排放因子选择 18
3.3.1 主要排放因子选用 18
3.3.2 修正系数确定 19
3.3.3 其他控制因子 21
第4章 Z港务公司靠港船舶大气污染物排放量测算结果分析及减排措施 22
4.1 船舶排放量测算结果 22
4.2 减排措施 24
第5章 结论与展望 26
5.1 结论 26
5.2 展望 27
参考文献 28
致 谢 30
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，港口作为区域经济增长极的作用日趋明显，业已构成世界经济的重要基石。据国家统计局数据显示，2018年世界十大港口排名中，我国依旧雄踞七席；全国港口拥有生产用码头泊位23919个，其中万吨级泊位2444个，万吨级集装箱泊位338个；全国港口完成货物吞吐量143.51亿吨，比上年增长2.5%，完成集装箱吞吐量2.51亿TEU，比上年增长5.3%[1]。随着国际经济形势的不断变革和世界贸易的不断发展，促进着航运业的繁荣，同时也使靠港船舶的数量不断增加；特别是货运集装箱化的发展，更是促进了集装箱运输的快速发展和集装箱船舶靠港需求的急剧增加。本文所研究的Z港务公司便处在航运业不断繁荣、集装箱运输快速发展的贸易前沿，该公司位于深圳市西部，是国内第二大内贸集装箱港，集装箱年设计通过能力超过150万TEU。仅在2018年一年，该公司靠港集装箱船舶便多达5740艘次，完成集装箱吞吐量62.45万TEU。
靠港船舶数量的增加促进了港口城市的经济发展，但同时也不可避免地带来了一定环境问题。目前，船舶动力装置广泛采用柴油机。但由于船舶燃料油品质差异较大、含硫量较高，并且在发动机内属于不完全燃烧，因此，随着航运业的快速发展，靠港船舶的大气污染物排放对港口城市的不利影响日益突显。据调研，船舶排放的废气物质主要包含硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、碳氢化合物（HC）和颗粒物（PM）[2]。其中，除了CO2属于温室气体外，其余五类排放物质均对环境有害，如果不加以控制，随着远洋船舶进出世界各国港口，势必会造成全球诸多港口城市的环境污染。因此，降低靠港船舶大气污染物排放在追求航运业可持续发展的过程中显得尤为重要。
在这个过程中，针对船舶排放控制的一系列国际、国内和地方的法规公约或行动方案应运而生。1997年12月，为了全面控制温室气体排放，国际社会第一次达成共识，在日本京都制定了联合国气候变化框架公约（UNFCCC），对各国温室效应气体（GHG）尤其是CO2排放提出控制意见。1997年，IMO海上环境保护委员会（MEPC）在缔约国大会上通过了《防止船舶造成大气污染规则》，2006年 8月23日，该公约在我国正式生效。2016年10月，IMO海上环境保护委员会第70次会议通过了2020年对全球范围内船舶燃油硫含量限制在0.5%的强制规定。我国作为缔约国之一，也必定遵守此项规定，因此，交通运输部从推进污染防治和减排法治化的角度出发，制定出台了诸如《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》、《船舶大气污染物排放控制区实施方案》、《港口岸电建设布局方案》等一系列方案文件，逐步推进船舶与港口污染防治工作，对控制我国船舶氮氧化物、硫氧化物和颗粒物排放提出了具体时间表，以期进一步减少船舶大气污染物的排放，不断改善我国沿海区域特别是港口城市的环境空气质量，为全面落实船舶和港口污染防治奠定坚实基础。
因此，为了进一步推进控制船舶和港口污染防治工作，就必须先行测算靠港船舶大气污染物排放清单，掌握其具体排放情况与分布，以便为制定减排措施打下坚实基础。本文针对Z港务公司靠港船舶大气污染物排放量测算研究便是立足于此，为今后港务公司采取合理的减排措施进行前期研究工作，也是为今后起建立区域性、全国性的船舶大气污染物排放清单积累经验。
1.2 国内外研究现状综述
1.2.1 国外研究现状
国外相关学者的研究起步较早，2009年，Jalkane等学者[3]主要基于船舶自动识别系统（Automatic Identification System，简称AIS）获取船舶航速等动态信息，同时根据船舶阻力计算船舶功率，结合船舶自身技术参数等静态数据建立船舶排放模型，估算出2007年波罗的海区域内船舶排放清单。Tichavska等学者[4]通过港口与城市之间的关系构建了船舶废气排放模型，主要考虑了不同船舶类型及其船舶活动状态，并结合AIS提供的动态信息，对2011年西班牙拉斯帕尔马斯港的船舶排放清单进行了测算。Winther等学者[5]主要通过船舶发动机功率的统计分析获取函数关系，并考虑不同技术水平下的船舶排放因子，并参考卫星数据，构建起基于排放因子的船舶排放模型，测算了2012年北极地区船舶的排放清单。
1.2.2 国内研究现状
船舶排放清单是我国区域大气污染源排放清单中重要的一部分，且该清单在污染防治和减排中起着基础性的作用。虽然我国对于船舶排放清单的研究还不尽全面，尤其是在本土化排放因子的建立方面还有待完善；但针对区域省市、局部港口的靠港船舶也形成了一定的大气污染物排放清单测算研究格局。
在测算方法研究方面，顾建等学者[6]主要参考AIS系统提供的船舶动态信息，结合船舶和港口自身的静态数据，并考虑一定的排放因子和修正系数，构建船舶交通排放估算模型（Ship Traffic Emission Assessment Model，简称STEAM模型），通过该模型建立起基于船舶功率的排放清单测算方法，并通过龙潭集装箱港区靠港船舶进行实证分析，从而测算出该港区SOx、NOx、PM10、PM2. 5、CO、HC等大气污染物的排放量。朱倩茹等学者[7]为了测算船舶大气污染物排放清单，主要采用了基于船舶功率的动力法，并利用AIS系统中船舶动态信息自动汇报的特点，建立起了一套自下而上的船舶排放清单测算方法。
在区域省市研究方面，姚鑫等学者[8]主要通过船舶尺度、吨位等静态数据计算不同类型船舶的发动机功率，并结合差异化的排放因子，建立针对不同船舶类型的排放计算模型，并以此对2010年航经长江口水域的船舶的NOx、PM10、PM2.5和SOx等大气污染物的排放量进行测算。徐文文等学者[9]以船舶AIS信息和港方提供的船舶进出港信息为基础，采用基于船舶发动机功率的动力估算法，建立了江苏省内河船舶大气污染物排放清单。叶斯琪等学者[10]根据船舶技术参数和营运情况，结合不同情形下的排放阿因子，采用燃油法和动力法构建模型，估算了2010年广东省地区的船舶排放清单。杨静等学者[11]以AIS系统获取的船舶动态数据和通过劳氏船级社数据库获取的船舶技术参数曾等静态数据，使用排放因子法，并结合深圳市内不同类型船舶的活动水平的本土化因子进行修正，估算了2010年深圳市船舶排放清单。
在局部港口研究方面，金陶胜[12]通过调研获取天津港运输船舶的统计数据，合理选用排放因子，并考虑一定的排放控制因素，建立基于燃油消耗的排放清单测算方法，对2006年天津港运输船舶排放的NOx、HC、CO和 PM10等大气污染物总量进行测算。伏晴艳[13]采用动力法，结合船舶类型、船舶尺度、船舶工况等技术参数和船舶发动机功率等核心因子，测算了2010年上海港船舶大气污染物和温室气体的排放清单。尹佩玲[14]采用了基于船舶活动状态的排放因子法，通过对AIS系统所提供的船舶活动轨迹等一系列动态特征，并结合船级社机构提供的船舶尺度、吨位、功率等技术参数，建立了2010年宁波-舟山港的船舶排放清单。
1.3 主要研究方法和技术路线
1.3.1 研究方法
港口污染问题日益突出，在国家进行大力治理和出台防污染行动计划的大背景下，需要对船舶大气污染物排放做出科学的评价和有效的控制。本文主要通过港务公司提供的EDI数据和靠港船舶营运数据，采用系统抽样方法对Z港务公司靠港船舶进行分吨位级别的数据分析统计，并通过典型船舶的线性拟合函数对船舶主辅机功率进行估算，考虑近港口船舶活动情况，划分该区域船舶活动状态，选用合理船舶排放因子，建立起船舶大气污染物排放物测算模型，测算2018年Z港务公司靠港船舶大气污染物排放量，基于此结果提出若干合理的减排建议。
1.3.2 技术路线
本文主要技术路线如图1.1所示。
图1.1 主要技术路线图
第2章 Z港务公司靠港船舶大气污染物排放量测算思路
2.1 Z港务公司概况
Z港务公司是招商局港口旗下的全资子公司，位于深圳市西部，靠伶仃洋、扼珠江口东岸，踞南中国海进入华南经济腹地的咽喉要道，是国内江海联运不可多得的全候天然深水良港，公司拥有码头岸线2100米、万吨级以上泊位10座、库场面积50多万平方米，同时拥有桥吊7台、龙门吊19台、门机30台，年吞吐量能力超过3000万吨，集装箱年设计通过能力超过150万TEU，是中国第二大内贸集装箱港。由于该公司主要的业务是集装箱船舶的靠离港和集装箱的集疏运，因此，本文也主要针对该公司靠港集装箱船舶进行研究。
根据港务公司提供EDI数据显示，2018年Z港务公司集装箱港区到港船舶5740艘次，完成集装箱吞吐量62.45万TEU。为便于后续船舶大气污染物排放量的测算，本文通过系统抽样的方法从5740条船舶靠港信息中筛选出700条数据，并按照船舶载重吨级别进行统计分析，具体抽样信息见表2.1。
表2.1 Z港务公司靠港船舶抽样信息
