基于装卸工艺的集装箱码头碳排放研究

摘要：为应对全球气候变暖，减少二氧化碳排放已成为港口业界和主管部门的当务之急。文章针对不同集疏运方式下集装箱码头装卸设备和工艺流程构建碳排放模型，并以数值算例进行定量分析，从而为集装箱码头运营商和港口管理部门在工艺流程优化、装卸设备更新、能源结构调整以及港区码头布局等方面减排举措和政策实施提供决策依据。

关键词：集装箱码头；装卸设备；作业流程；二氧化碳排放

一、 国内外研究现状

国外关于集装箱码头碳排放的主要研究包括：Oonk（2006）研究了鹿特丹港自动化三角洲码头与传统人工码头在环保方面的差异；Hichman和Banister（2007）提出采用反推法将二氧化碳降低到理想水平，但没有给出如何达到理想排放水平的具体途径以及在多大程度上能够实现理想的排放水平；Notteboom和Vernimmen（2007）研究高燃油成本对码头服务集装箱班轮的影响，但其集中于单一运输模式对环境影响；Harry和Ron（2011）研究了鹿特丹集装箱码头的二氧化碳排放评估。

国内关于集装箱码头碳排放的主要研究包括：祁崇波（2010）提出轮胎式龙门起重机和轨道式龙门起重机的节能减排措施；吴明华（2011）认为外高桥六期集装箱码头采用了诸多低碳新技术，建成了世界上第一座具备全面岸基供电能力的集装箱码头，配置了电动轮胎式集装箱起重机，成为自主创新实现低碳港口的典型；游勇（2011）提出将常规港口三要素——码头、库场和装卸机械集成为一体的“库码头技术”；彭传圣（2012）提出集装箱码头可通过应用码头燃油设备节能措施进一步降低码头二氧化碳直接排放量；翟勇洪（2013）在过去十年全球二氧化碳排放总量增加14%，而交通运输业碳排放增长率却高达25%的背景下，提出现代物流作业合理化是实现低碳化的重要途径。

二、 集装箱码头装卸设备和工艺流程

1. 主要装卸设备。

（1）集装箱岸壁起重机：主要应用专用集装箱吊具完成集装箱的装卸船作业，形式依据其作业特性和操作功能而定，基本分为前大梁、主梁、后大梁由海侧、陆侧门框支撑，并通过梯形架连接的前后拉杆进行悬挂，运行小车通过起升钢丝绳悬挂专用集装箱吊具。

（2）集装箱龙门起重机：其金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，主梁两端可以具有外伸悬臂梁，可以直接在地面或轨道上行走，通常有轮胎式龙门吊和电动轨道式龙门吊。在进行集装箱作业时，可使集装箱重心在整个变幅过程中保持水平位移以利于集装箱进出集装箱船格栅导轨和堆码作业；起重机回转时，吊具具有反向同步回转的能力，保证集装箱的纵向水平轴线始终与起重机轨道平行以便于集装箱对位。

（3）集装箱跨运车：由门形车架和带抱的提升架组成，其作用是实现集装箱的水平运输、堆码及对集装箱半挂车进行装卸作业。采用该装卸设备的集装箱堆高可达2层～3层；但其本身重量集中在车辆的上部，重心较高，空车行走时稳定性较差。

（4）集装箱叉车：由自行的轮胎底盘和能垂直升降的货叉、门架等组成。一般在门架前装有一个顶部起吊属具，借助转锁件与集装箱连接，从顶部起吊；也可将货叉插入集装箱底部叉槽内举升搬运集装箱。主要用作堆垛空集装箱等辅助性作业，也可在集装箱吞吐量不大的综合性码头和堆场进行装卸与短距离搬运。

（5）集装箱正面吊：由工程机械底盘，伸缩臂架，集装箱吊具等三部分组成，具有机动性强、作业效率高、安全可靠、操作简便舒适等优点，特别使用于中小港口，铁路中转站和公路中转站的集装箱装卸。

（6）自动堆垛机：能够对集装箱进行较为灵活的处理，在较短距离实现快速的集装箱运输并堆垛，自动将集装箱放入堆码区或从堆码区取出的作业。

（7）拖挂车系统：由集装箱牵引车和集装箱挂车组成，可通过加挂不同的拖箱来达到不同的运输能力。可直接在发货人的仓库装货，运到收货人的仓库卸货，中途更换车、船时，无须将货物从箱内取出换装；进行快速装卸，并可从一种运输工具直接方便地换装到另一种运输工具。

（8）自动导引车：具有磁条、轨道或者激光等自动导引设备，沿规划好的路径行驶，以电池为动力，并且装备安全保护以及各种辅助机构无人驾驶的自动化车辆。通常由多台自动导引车与控制计算机、导航设备、充电设备以及周边附属设备组成自动导引车系统。

2. 基本工艺流程。集装箱码头的基本装卸工艺是指在海洋干线运输与内河运输、公路运输、铁路运输等集疏运方式下借助各种装卸设备实现集装箱位移的程序。其中，将集装箱从船舶卸至堆场的工艺流程如下。

（1）船舶——桥吊——集卡——轮胎吊——堆场。即码头前沿用集装箱岸吊卸箱，放在集卡上进行水平运输，运至码头堆场后再通过轮胎式集装箱龙门起重机进行堆垛。

（2）船舶——桥吊——集卡——轨道吊——堆场。即码头前沿用集装箱岸吊卸箱，放在集卡上进行水平运输，到码头后方堆场，然后用轨道式集装箱龙门起重机进行堆场作业。

（3）船舶——桥吊——集装箱叉车——堆场。即通过集装箱岸吊从船舶卸下集装箱，放到码头前沿，然后通过集装箱叉车完成水平运输，到堆场完成堆放作业。

（4）船舶——桥吊——正面吊——堆场。即通过集装箱岸吊从船舶卸下集装箱，放到码头前沿落地，正面吊吊起集装箱进行水平运输，到堆场堆放。

（5）船舶——桥吊——码头前沿——跨运车——堆场。即在岸边用集装箱岸吊从船舶卸下集装箱，放在码头前沿；然后跨运车将集装箱运至码头堆场直接堆垛。

三、 基于装卸工艺的集装箱码头碳排放模型

首先，计算柴油机动力驱动的集装箱码头装卸设备完成单位集装箱作业的柴油消耗量，公式如下：

Di，j=Ni，j*（Fi，j+Vi，jMi，j） i，j∈Tc

其中：Di，j是柴油机驱动式的集装箱码头装卸设备i在集疏运方式j下完成单位集装箱作业的柴油消耗量（升/TEU）；Ni，j是集装箱码头装卸设备i在集疏运方式j下完成单位集装箱位移的作业次数；Fi，j是集装箱码头装卸设备i在集疏运方式j下完成单位作业固定的柴油消耗量（升）；Vi，j是集装箱码头装卸设备i在集疏运方式j下完成单位作业可变的柴油消耗量（升/千米）；Mi，j是集装箱码头装卸设备i在集疏运方式j下完成单位作业的曼哈顿距离（千米）。

其次，计算电源动力驱动的集装箱码头装卸设备完成单位集装箱作业的电能消耗量，公式如下：

Ei，j=Ni，j*ei，j i，j∈Tc

其中：Ei，j是电源动力驱动的集装箱码头装卸设备i在集疏运方式j下完成单位集装箱作业的电能消耗量（千瓦时/TEU）；Ni，j是集装箱码头装卸设备i在集疏运方式j下完成单位集装箱位移的作业次数；ei，j是集装箱码头装卸设备i在集疏运方式j下单位作业固定的电能消耗量（千瓦时）。

最后，根据单位柴油和电力的二氧化碳排放标准，计算集装箱码头的二氧化碳排放量，公式如下：

Tc=n（（Di，j×Cd）+（Ei，j×Ce））

其中：Tc是集装箱码头的二氧化碳排放量（千克/年）； n是集装箱码头的集装箱吞吐量（标准箱/年）；Cd是单位柴油的二氧化碳排放标准（千克/升）；Ce是单位电力的二氧化碳排放标准（千克/千瓦时）。

四、 集装箱码头碳排放数值算例

以上海港某集装箱码头进行数值算例分析：

（1）装卸设备单位作业耗能。码头装卸设备完成单位集装箱作业的柴油和电力消耗情况见表1。

（2）集疏运方式下装卸设备作业次数。在集装箱码头相应的工艺流程下，装卸设备在不同集疏运方式下完成单位集装箱位移的作业次数见表2。

（3）集疏运方式下装卸设备作业距离。在不同的集疏运方式下，集装箱码头装卸设备完成单位集装箱位移的作业距离见表3。

（4）集装箱码头碳排放。结合该集装箱码头的设计吞吐能力以及年度报告，参数n取值为450万。其中，各种集疏运方式所占比例如下：内河运输占42%，公路运输占52%，铁路运输占1%，码头中转占5%。此外，结合文献研究和业内实践，单位能耗的碳排放标准取值为：Cd=2.65；Ce=0.52。

五、 结束语

本文针对不同集疏运方式下集装箱码头装卸设备和作业流程构建了碳排放模型，并以数值算例进行定量分析，以此视角为集装箱码头运营商和港口管理部门的减排举措和政策实施提供决策依据。

参考文献：

1. 彭传圣.集装箱码头碳排放核算方法.集装箱化，2012，23（7）：14-17.

2. 翟勇洪.低碳经济视角下的现代物流发展策略研究.现代管理科学，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.集装箱码头堆场装卸设备的节能减排研究.大连海事大学学位论文，2010.

6. 吴明华.外六期码头：中国港口创新与低碳之样本.中国远洋航务，2011，（1）：50-51.

7. 游勇.库码头技术在推动港口绿色低碳集约智能化发展中的应用.世界海运，2011，34（8）：28-31.

基金项目：国家自然科学基金（项目号：71102043）。

作者简介：董岗，上海交通大学中美物流研究院博士后；何新华，上海海事大学经济管理学院副教授。

收稿日期：2013-12-11。

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