基于裝卸工藝的集裝箱碼頭碳排放研究

董崗 何新華

摘要：為應(yīng)對全球氣候變暖，減少二氧化碳排放已成為港口業(yè)界和主管部門的當(dāng)務(wù)之急。文章針對不同集疏運方式下集裝箱碼頭裝卸設(shè)備和工藝流程構(gòu)建碳排放模型，并以數(shù)值算例進行定量分析，從而為集裝箱碼頭運營商和港口管理部門在工藝流程優(yōu)化、裝卸設(shè)備更新、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及港區(qū)碼頭布局等方面減排舉措和政策實施提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：集裝箱碼頭；裝卸設(shè)備；作業(yè)流程；二氧化碳排放

一、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外關(guān)于集裝箱碼頭碳排放的主要研究包括：Oonk（2006）研究了鹿特丹港自動化三角洲碼頭與傳統(tǒng)人工碼頭在環(huán)保方面的差異；Hichman和Banister（2007）提出采用反推法將二氧化碳降低到理想水平，但沒有給出如何達到理想排放水平的具體途徑以及在多大程度上能夠?qū)崿F(xiàn)理想的排放水平；Notteboom和Vernimmen（2007）研究高燃油成本對碼頭服務(wù)集裝箱班輪的影響，但其集中于單一運輸模式對環(huán)境影響；Harry和Ron（2011）研究了鹿特丹集裝箱碼頭的二氧化碳排放評估。

國內(nèi)關(guān)于集裝箱碼頭碳排放的主要研究包括：祁崇波（2010）提出輪胎式龍門起重機和軌道式龍門起重機的節(jié)能減排措施；吳明華（2011）認(rèn)為外高橋六期集裝箱碼頭采用了諸多低碳新技術(shù)，建成了世界上第一座具備全面岸基供電能力的集裝箱碼頭，配置了電動輪胎式集裝箱起重機，成為自主創(chuàng)新實現(xiàn)低碳港口的典型；游勇（2011）提出將常規(guī)港口三要素——碼頭、庫場和裝卸機械集成為一體的“庫碼頭技術(shù)”；彭傳圣（2012）提出集裝箱碼頭可通過應(yīng)用碼頭燃油設(shè)備節(jié)能措施進一步降低碼頭二氧化碳直接排放量；翟勇洪（2013）在過去十年全球二氧化碳排放總量增加14%，而交通運輸業(yè)碳排放增長率卻高達25%的背景下，提出現(xiàn)代物流作業(yè)合理化是實現(xiàn)低碳化的重要途徑。

二、 集裝箱碼頭裝卸設(shè)備和工藝流程

1. 主要裝卸設(shè)備。

（1）集裝箱岸壁起重機：主要應(yīng)用專用集裝箱吊具完成集裝箱的裝卸船作業(yè)，形式依據(jù)其作業(yè)特性和操作功能而定，基本分為前大梁、主梁、后大梁由海側(cè)、陸側(cè)門框支撐，并通過梯形架連接的前后拉桿進行懸掛，運行小車通過起升鋼絲繩懸掛專用集裝箱吊具。

（2）集裝箱龍門起重機：其金屬結(jié)構(gòu)像門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁，可以直接在地面或軌道上行走，通常有輪胎式龍門吊和電動軌道式龍門吊。在進行集裝箱作業(yè)時，可使集裝箱重心在整個變幅過程中保持水平位移以利于集裝箱進出集裝箱船格柵導(dǎo)軌和堆碼作業(yè)；起重機回轉(zhuǎn)時，吊具具有反向同步回轉(zhuǎn)的能力，保證集裝箱的縱向水平軸線始終與起重機軌道平行以便于集裝箱對位。

（3）集裝箱跨運車：由門形車架和帶抱的提升架組成，其作用是實現(xiàn)集裝箱的水平運輸、堆碼及對集裝箱半掛車進行裝卸作業(yè)。采用該裝卸設(shè)備的集裝箱堆高可達2層～3層；但其本身重量集中在車輛的上部，重心較高，空車行走時穩(wěn)定性較差。

（4）集裝箱叉車：由自行的輪胎底盤和能垂直升降的貨叉、門架等組成。一般在門架前裝有一個頂部起吊屬具，借助轉(zhuǎn)鎖件與集裝箱連接，從頂部起吊；也可將貨叉插入集裝箱底部叉槽內(nèi)舉升搬運集裝箱。主要用作堆垛空集裝箱等輔助性作業(yè)，也可在集裝箱吞吐量不大的綜合性碼頭和堆場進行裝卸與短距離搬運。

（5）集裝箱正面吊：由工程機械底盤，伸縮臂架，集裝箱吊具等三部分組成，具有機動性強、作業(yè)效率高、安全可靠、操作簡便舒適等優(yōu)點，特別使用于中小港口，鐵路中轉(zhuǎn)站和公路中轉(zhuǎn)站的集裝箱裝卸。

（6）自動堆垛機：能夠?qū)b箱進行較為靈活的處理，在較短距離實現(xiàn)快速的集裝箱運輸并堆垛，自動將集裝箱放入堆碼區(qū)或從堆碼區(qū)取出的作業(yè)。

（7）拖掛車系統(tǒng)：由集裝箱牽引車和集裝箱掛車組成，可通過加掛不同的拖箱來達到不同的運輸能力?？芍苯釉诎l(fā)貨人的倉庫裝貨，運到收貨人的倉庫卸貨，中途更換車、船時，無須將貨物從箱內(nèi)取出換裝；進行快速裝卸，并可從一種運輸工具直接方便地換裝到另一種運輸工具。

（8）自動導(dǎo)引車：具有磁條、軌道或者激光等自動導(dǎo)引設(shè)備，沿規(guī)劃好的路徑行駛，以電池為動力，并且裝備安全保護以及各種輔助機構(gòu)無人駕駛的自動化車輛。通常由多臺自動導(dǎo)引車與控制計算機、導(dǎo)航設(shè)備、充電設(shè)備以及周邊附屬設(shè)備組成自動導(dǎo)引車系統(tǒng)。

2. 基本工藝流程。集裝箱碼頭的基本裝卸工藝是指在海洋干線運輸與內(nèi)河運輸、公路運輸、鐵路運輸?shù)燃柽\方式下借助各種裝卸設(shè)備實現(xiàn)集裝箱位移的程序。其中，將集裝箱從船舶卸至堆場的工藝流程如下。

（1）船舶——橋吊——集卡——輪胎吊——堆場。即碼頭前沿用集裝箱岸吊卸箱，放在集卡上進行水平運輸，運至碼頭堆場后再通過輪胎式集裝箱龍門起重機進行堆垛。

（2）船舶——橋吊——集卡——軌道吊——堆場。即碼頭前沿用集裝箱岸吊卸箱，放在集卡上進行水平運輸，到碼頭后方堆場，然后用軌道式集裝箱龍門起重機進行堆場作業(yè)。

（3）船舶——橋吊——集裝箱叉車——堆場。即通過集裝箱岸吊從船舶卸下集裝箱，放到碼頭前沿，然后通過集裝箱叉車完成水平運輸，到堆場完成堆放作業(yè)。

（4）船舶——橋吊——正面吊——堆場。即通過集裝箱岸吊從船舶卸下集裝箱，放到碼頭前沿落地，正面吊吊起集裝箱進行水平運輸，到堆場堆放。

（5）船舶——橋吊——碼頭前沿——跨運車——堆場。即在岸邊用集裝箱岸吊從船舶卸下集裝箱，放在碼頭前沿；然后跨運車將集裝箱運至碼頭堆場直接堆垛。

三、 基于裝卸工藝的集裝箱碼頭碳排放模型

首先，計算柴油機動力驅(qū)動的集裝箱碼頭裝卸設(shè)備完成單位集裝箱作業(yè)的柴油消耗量，公式如下：

Di，j=Ni，j*（Fi，j+Vi，jMi，j） i，j∈Tc

其中：Di，j是柴油機驅(qū)動式的集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運方式j(luò)下完成單位集裝箱作業(yè)的柴油消耗量（升/TEU）；Ni，j是集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運方式j(luò)下完成單位集裝箱位移的作業(yè)次數(shù)；Fi，j是集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運方式j(luò)下完成單位作業(yè)固定的柴油消耗量（升）；Vi，j是集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運方式j(luò)下完成單位作業(yè)可變的柴油消耗量（升/千米）；Mi，j是集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運方式j(luò)下完成單位作業(yè)的曼哈頓距離（千米）。

其次，計算電源動力驅(qū)動的集裝箱碼頭裝卸設(shè)備完成單位集裝箱作業(yè)的電能消耗量，公式如下：

Ei，j=Ni，j*ei，j i，j∈Tc

其中：Ei，j是電源動力驅(qū)動的集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運方式j(luò)下完成單位集裝箱作業(yè)的電能消耗量（千瓦時/TEU）；Ni，j是集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運方式j(luò)下完成單位集裝箱位移的作業(yè)次數(shù)；ei，j是集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運方式j(luò)下單位作業(yè)固定的電能消耗量（千瓦時）。

最后，根據(jù)單位柴油和電力的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，計算集裝箱碼頭的二氧化碳排放量，公式如下：

Tc=n（（Di，j×Cd）+（Ei，j×Ce））

其中：Tc是集裝箱碼頭的二氧化碳排放量（千克/年）； n是集裝箱碼頭的集裝箱吞吐量（標(biāo)準(zhǔn)箱/年）；Cd是單位柴油的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)（千克/升）；Ce是單位電力的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)（千克/千瓦時）。

四、 集裝箱碼頭碳排放數(shù)值算例

以上海港某集裝箱碼頭進行數(shù)值算例分析：

（1）裝卸設(shè)備單位作業(yè)耗能。碼頭裝卸設(shè)備完成單位集裝箱作業(yè)的柴油和電力消耗情況見表1。

（2）集疏運方式下裝卸設(shè)備作業(yè)次數(shù)。在集裝箱碼頭相應(yīng)的工藝流程下，裝卸設(shè)備在不同集疏運方式下完成單位集裝箱位移的作業(yè)次數(shù)見表2。

（3）集疏運方式下裝卸設(shè)備作業(yè)距離。在不同的集疏運方式下，集裝箱碼頭裝卸設(shè)備完成單位集裝箱位移的作業(yè)距離見表3。

（4）集裝箱碼頭碳排放。結(jié)合該集裝箱碼頭的設(shè)計吞吐能力以及年度報告，參數(shù)n取值為450萬。其中，各種集疏運方式所占比例如下：內(nèi)河運輸占42%，公路運輸占52%，鐵路運輸占1%，碼頭中轉(zhuǎn)占5%。此外，結(jié)合文獻研究和業(yè)內(nèi)實踐，單位能耗的碳排放標(biāo)準(zhǔn)取值為：Cd=2.65；Ce=0.52。

五、 結(jié)束語

本文針對不同集疏運方式下集裝箱碼頭裝卸設(shè)備和作業(yè)流程構(gòu)建了碳排放模型，并以數(shù)值算例進行定量分析，以此視角為集裝箱碼頭運營商和港口管理部門的減排舉措和政策實施提供決策依據(jù)。

參考文獻：

1. 彭傳圣.集裝箱碼頭碳排放核算方法.集裝箱化，2012，23（7）：14-17.

2. 翟勇洪.低碳經(jīng)濟視角下的現(xiàn)代物流發(fā)展策略研究.現(xiàn)代管理科學(xué)，2013，（6）：87-89.

3. Notteboom T E， Vernimmen B.The effect of high fuel cost on liner service configuration in container shipping.Journal of Tra- nsport Geography，2009，17（5）：325-337.

4. Harry G， Ron V D.A new method for assessing CO2-emissions from container terminals： a promising approach applied in Rotterdam.Journal of Cleaner Production，2011，19（6）：657-666.

5. 祁崇波.集裝箱碼頭堆場裝卸設(shè)備的節(jié)能減排研究.大連海事大學(xué)學(xué)位論文，2010.

6. 吳明華.外六期碼頭：中國港口創(chuàng)新與低碳之樣本.中國遠洋航務(wù)，2011，（1）：50-51.

7. 游勇.庫碼頭技術(shù)在推動港口綠色低碳集約智能化發(fā)展中的應(yīng)用.世界海運，2011，34（8）：28-31.

基金項目：國家自然科學(xué)基金（項目號：71102043）。

作者簡介：董崗，上海交通大學(xué)中美物流研究院博士后；何新華，上海海事大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院副教授。

收稿日期：2013-12-11。