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(yùn)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(jìn)行定量分析，從而為集裝箱碼頭運(yùn)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(shí)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(dòng)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(dá)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(yùn)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(jī)和軌道式龍門起重機(jī)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(dòng)輪胎式集裝箱起重機(jī)，成為自主創(chuàng)新實(shí)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(jī)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(jìn)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(yùn)輸業(yè)碳排放增長率卻高達(dá)25%的背景下，提出現(xiàn)代物流作業(yè)合理化是實(shí)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(jī)：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(jìn)行懸掛，運(yùn)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(jī)：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(dòng)軌道式龍門吊。在進(jìn)行集裝箱作業(yè)時(shí)，可使集裝箱重心在整個(gè)變幅過程中保持水平位移以利于集裝箱進(jìn)出集裝箱船格柵導(dǎo)軌和堆碼作業(yè)；起重機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)，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(jī)軌道平行以便于集裝箱對位。

（3）集裝箱跨運(yùn)車：由門形車架和帶抱的提升架組成，其作用是實(shí)現(xiàn)集裝箱的水平運(yùn)輸、堆碼及對集裝箱半掛車進(jìn)行裝卸作業(yè)。采用該裝卸設(shè)備的集裝箱堆高可達(dá)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(shí)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(gè)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(yùn)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(jìn)行裝卸與短距離搬運(yùn)。

（5）集裝箱正面吊：由工程機(jī)械底盤，伸縮臂架，集裝箱吊具等三部分組成，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高、安全可靠、操作簡便舒適等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)堆垛機(jī)：能夠?qū)b箱進(jìn)行較為靈活的處理，在較短距離實(shí)現(xiàn)快速的集裝箱運(yùn)輸并堆垛，自動(dòng)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(dá)到不同的運(yùn)輸能力。可直接在發(fā)貨人的倉庫裝貨，運(yùn)到收貨人的倉庫卸貨，中途更換車、船時(shí)，無須將貨物從箱內(nèi)取出換裝；進(jìn)行快速裝卸，并可從一種運(yùn)輸工具直接方便地?fù)Q裝到另一種運(yùn)輸工具。

（8）自動(dòng)導(dǎo)引車：具有磁條、軌道或者激光等自動(dòng)導(dǎo)引設(shè)備，沿規(guī)劃好的路徑行駛，以電池為動(dòng)力，并且裝備安全保護(hù)以及各種輔助機(jī)構(gòu)無人駕駛的自動(dòng)化車輛。通常由多臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)引車與控制計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航設(shè)備、充電設(shè)備以及周邊附屬設(shè)備組成自動(dòng)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(yùn)輸與內(nèi)河運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸?shù)燃柽\(yùn)方式下借助各種裝卸設(shè)備實(shí)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(jìn)行水平運(yùn)輸，運(yùn)至碼頭堆場后再通過輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)進(jìn)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(jìn)行水平運(yùn)輸，到碼頭后方堆場，然后用軌道式集裝箱龍門起重機(jī)進(jìn)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(yùn)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(jìn)行水平運(yùn)輸，到堆場堆放。

（5）船舶——橋吊——碼頭前沿——跨運(yùn)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(yùn)車將集裝箱運(yùn)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(jì)算柴油機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)式的集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)方式j(luò)下完成單位作業(yè)的曼哈頓距離（千米）。

其次，計(jì)算電源動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)的集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運(yùn)方式j(luò)下完成單位集裝箱作業(yè)的電能消耗量（千瓦時(shí)/TEU）；Ni，j是集裝箱碼頭裝卸設(shè)備i在集疏運(yùn)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(yùn)方式j(luò)下單位作業(yè)固定的電能消耗量（千瓦時(shí)）。

最后，根據(jù)單位柴油和電力的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)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(shí)）。

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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)方式下裝卸設(shè)備作業(yè)距離。在不同的集疏運(yùn)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(jì)吞吐能力以及年度報(bào)告，參數(shù)n取值為450萬。其中，各種集疏運(yùn)方式所占比例如下：內(nèi)河運(yùn)輸占42%，公路運(yùn)輸占52%，鐵路運(yùn)輸占1%，碼頭中轉(zhuǎn)占5%。此外，結(jié)合文獻(xiàn)研究和業(yè)內(nèi)實(shí)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(yùn)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(jìn)行定量分析，以此視角為集裝箱碼頭運(yùn)營商和港口管理部門的減排舉措和政策實(shí)施提供決策依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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(jì)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.

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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(yuǎn)洋航務(wù)，2011，（1）：50-51.

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

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)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(jì)管理學(xué)院副教授。

收稿日期：2013-12-11。