一种动态组建港口和船舶空气污染物排放清单的计算方法
【专利摘要】一种动态组建港口和船舶空气污染物排放清单的计算方法。包括：港口排放模块(含货物储运、港作设施和集疏运三个分模块及数据库)、船舶排放模块(含巡航、靠离泊和作业施工三个分模块及数据库)和运营情景(含减排对策)动态组合模块及数据库，用于计算进出及途经港口的沿海和内河船舶经过巡航、靠离泊和/或作业，以及港口货物装卸储运及集疏运设施在相同或相近的时间和空间以不同的工况和方式向大气排放常规特征空气污染物(主要为PM2.5、NOx、SOx、VOCs、CO、CO2等)的单一和叠加累积排放清单，为相关部门的港口和船舶节能减排方案以及港口的调结构、转方式绿色交通发展规划的设计与决策提供可靠的数据支撑，达到空气污染防治及碳排放控制和改善港口空气质量、应对气候变化的目标。
【专利说明】一种动态组建港口和船舶空气污染物排放清单的计算方法
(—)【技术领域】
[0001]本发明涉及一种动态组建港口和船舶空气污染物排放清单的计算方法，它能帮助相关人员将港口和船舶的运行状态按不同的节能减排对策进行情景组合，通过对应的空气污染物排放量计算公式及参数，动态组建排放清单，进而为相关部门的节能减排方案设计与决策提供可靠的数据支撑，属于环境保护及空气污染防治【技术领域】。
(二)【背景技术】
[0002]随着我国经济的快速发展，航运及物流业也取得了长足进步。根据相关统计，截至2011年底，全国拥有远洋、近海、内河水上运输船舶17.92万艘，同比增长0.5% ;净载重量21264.32万吨，同比增长17.9% ;全国港口完成货物吞吐量100.41亿吨，其中，沿海63.60亿吨，内河36.81亿吨，同比增长12.4% ;全国港口完成旅客吞吐量1.94亿人，其中，沿海0.80亿人，内河1.14亿人，同比增长9.8% ;全国生产用码头泊位31968个，货物吞吐量超过亿吨的港口 26个，其中，沿海17个，内河9个。
[0003]船舶和港口空气污染物的排放主要来自于船舶航行中以及进出港、靠离泊、锚泊时的船舶发动机尾气、进出港车辆发动机尾气、以燃油为动力的装卸运输机械尾气、煤炭矿石等干散货在装卸储运过程中的产尘、石油及化工品等液体散货在装卸储运过程中的有毒有害气体及其光化学反应二次产物、码头施工扬尘等，其特征污染物主要包括:N0x、SOx,VOCs、液体化工蒸汽、NO2、s02、CH4、CO、CO2、O3、TSP、PMltl、PM2.5等，对港口及沿岸空气环境带来不利影响。
[0004]上述污染物中，包含了中华人民共和国国家标准GB3095-2012《环境空气质量标准》环境空气污染物基本项目浓度限值的全部污染物项目，即:二氧化硫(so2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、颗粒物(粒径小于等于10 μ m,也称可吸入颗粒物、PM10)、颗粒物(粒径小于等于2.5 μ m，也称细颗粒物、PM2.5)，也包含了国际海事组织(MO)《经1978年议定书修订的1973年国际防止船舶造成污染公约》之附则VI——《防止船舶造成大气污染规则》中限制船舶柴油机排放的大气污染物:氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)，以及有排放控制要求的挥发性有机化合物(VOCs)、有能效设计指数和营运指标管理要求的表征船舶固有及营运排放水平的温室气体(CO2)。不同的港口和船舶节能减排对策及其组合，对上述空气污染物排放量的控制及减排效果不尽相同，社会环境经济效益也有所差异。清晰地计算不同的减排对策组合情景下的污染物排放清单，可以为节能减排方案的设计与决策提供可靠的数据支撑，是科学化指导航运发展转型和制定空气污染物排放防治对策的关键支撑技术。
[0005]港口和船舶的节能减排包括了多项技术及对策，旨在尽可能预防和减缓空气污染物及温室气体排放的污染损害影响。
[0006]就港口而言，大多建设有专业化的集装箱、干散货、液体散货、客运、件杂货通用码头以及配套的集疏运系统，装卸运输设备动力“油改电”、靠泊船舶动力接“岸电”可以极大地减少码头船岸运输设施各类空气污染物的排放，石油和液体化学品散装储运过程中的油气及化学品蒸汽的净化和回收装置可显著地降低VOCs及其光化学反应二次产物o3、pm2.5的排放，集装箱水水中转和铁水联运可有效减缓路水联运中重型柴油机卡车的各类空气污染物排放，干散货码头粉尘综合防治技术则可有效抑制煤炭、矿石装卸储运中的产尘，明显降低PMltl和PM2.5的排放。
[0007]就船舶而言，货物运输船型主要包括:散货船、气体运输船、液货船、集装箱船、杂货船、冷藏船、兼用船、滚装货船、车辆运输船、客船、客滚船等11种，頂O附则VI要求凡载重400总吨及以上的国际航行船舶，其船舶能效设计指数和营运指标应达到相应的衡准要求，这将显著地发展船舶动力主机和推进器及优化船舶的设计、建造和营运来提高船舶航行中的能源利用效率，大幅降低国际海运中的CO2等碳排放水平。IMO附则VI同时还提出了限制船舶柴油机排放NOx和SOx的分阶段控制指标，催促国际航行船舶采用更清洁的能源(低硫油、LNG)，以及安装对柴油发动机尾气加以催化的净化装置(SCR技术)，达到满足排放控制要求的目标。对于非国际航行的各类沿海、内河货物运输船舶及港作船舶，也需要制定低硫油标准和排放控制要求，并配套提供清洁能源供应及尾气净化装置，来降低各类污染物的排放。采用新型热气推进和涡轮增效技术、低速航行技术也是实践中可行的减少排放对策。
[0008]国际上发达国家及我国香港对排放清单已有不少研究，国内也有学者开展了单个港口排放清单的研究，但是适合我国具体国情及现行水运统计报表的船舶和港口空气污染物排放清单研究尚属空白，尤其缺乏能动态组合不同排放控制对策的排放清单计算方法，单凭一些零散的柴油发动机排放公式难以满足系统、全面、实用地反映港口和船舶空气污染物排放状况的需求，并且现有的林业温室气体碳排放清单计算方法的发明专利也完全不适用于船舶和港口的碳排放工况，急需相关发明来填补空白。
(三)
【发明内容】
[0009](I)发明目的
[0010]本发明的目的是提供一种利用我国水运统计报表动态组建港口和船舶空气污染物排放清单的计算方法，填补单凭一些零散的柴油发动机排放公式难以达到系统、全面、实用地反映港口和船舶空气污染物排放状况，而现有的林业温室气体碳排放清单计算方法专利不适用于船舶和港口的碳排放工况的技术空白。该套计算方法可根据中国港口和船舶的具体情况和我国现行水运统计报表，以及航运及物流业的转型升级发展状况，帮助相关人员将港口和船舶的运行状态按不同的节能减排对策进行情景组合，通过对应的空气污染物排放量计算公式及参数，动态组建排放清单，进而为相关部门的港口和船舶节能减排方案以及港口的调结构、转方式绿色交通发展规划的设计与决策提供可靠的数据支撑，达到空气污染防治及碳排放控制和改善港口空气质量、应对气候变化的目标。
[0011](2)技术方案
[0012]本发明一种动态组建港口和船舶空气污染物排放清单的计算方法，包括港口排放模块(含货物储运、港作设施和集疏运三个分模块及数据库)、船舶排放模块(含巡航、靠离泊和作业施工三个分模块及数据库)和运营情景动态组合模块及数据库，它们相互之间的关系是:进出港口的船舶经过巡航、靠离泊和/或作业，与港口装卸储运及集疏运设施在相同或相近的时间和空间以不同的工况和方式向大气排放常规特征空气污染物，这些在同一区域的来自不同污染源的相同污染物(PM2.5、NOx, SOx、VOCs, CO、CO2等)经过叠加及传输扩散，对该区域的空气环境质量构成一定程度的影响及危害，为了计算大气污染物的排放量，运营情景动态组合模块(A)统一确定船舶和港口的运输状况、动力、燃料的供给、储运装备和集疏运系统的节能减排对策，作为港口排放模块和船舶排放模块计算动态排放清单时的运营状态参数的输入，并将各模块的计算成果按照相应的情景进行组合和叠加计算，给出相应的排放清单；港口排放模块(B)中的货物储运分模块(BI)细分为干散货分模块(Bl-1)和液体散货分模块(Bl-2) ,Bl-1根据干散货(煤炭、矿石等)的装卸储运量和相关设施的减排对策、当地气象条件计算和存储PM1(1、PM2.5的排放量，B1-2根据液体散货(石油、化工品等)的装卸储运量和相关设施的减排对策、当地气象条件计算VOCs的排放量及其发生光化学反应后03、PM2.5的生成量；B模块中的港作设施分模块(B2)用于根据港作机械和车辆的数量、功率或吞吐量、耗油量等信息计算PM2.5、N0X、V0Cs、C0等空气污染物的排放量，其中的Β2-1、Β2-2分模块分别完成港作机械排放量和港作车辆排放量的计算和存储；港口集疏运分模块(C)由水水中转分模块(Cl)、铁水联运分模块(C2)、路水联运分模块(C3)和管道输送分模块(C4)组成，分别计算港口所在区域水水联运、铁水联运、路水联运和管道输送四种集疏运方式的PM2.5、N0X、V0Cs、C0等空气污染物的排放量；船舶排放模块⑶根据不同类型船舶在港口内、外一定区域内航行及停泊的船舶艘次、平均单船总吨位、平均单船运距、航速、停泊时间、燃料质量，计算发动机主机、副机和锅炉尾气中PM1(1、PM2.5、NOx, SOx、VOCs, CO、CO2, N2O, CH4等空气污染物的排放量，D模块中的巡航分模块(Dl)、靠离泊分模块(D2)、作业施工分模块(D3)分别完成港外巡航、港内巡航及靠离停(锚)泊、作业和施工期间排放量的计算和存储，D2分模块又细分为靠泊分模块(D2-1)、离泊分模块(D2-2)、停泊分模块(D2-3)和锚泊分模块(D2-4)。由以上各项分模块构架的该计算方法的模块系统组成示意图，见图1所示。
[0013]所述运营情景动态组合模块(A)将沿海船舶按吨级分为七级(99总吨及以下、100?499总吨、500?999总吨、1000?2999总吨、3000?9999总吨、10000?49999总吨、50000总吨及以上)、按运输种类分为九类(油船、液化气船、散装化学品船、散货船、集装箱船、滚装船、其他货船、顶推船拖轮、非运输船)，将内河船舶按吨级分为五等(一等约2000总吨、二等约1000总吨、三等约500总吨、四等约100总吨、五等约20总吨)，依据统计报表和发展规划设定本国及外籍船舶在一定时期内进、出特定港口的数量、发动机功率、总吨位、总载重吨、货运量，以及特定港口的分货种吞吐量(石油、LNG、液体散货、煤炭、矿石、集装箱等)、本国各省水运周转量，再结合当地空气污染防治的实际状况和国家及地方的防治对策目标要求，设定港口、船舶以及集疏运空气污染防治的具体对策(煤炭矿石码头粉尘防治(MBl-1)、石油及液体散货码头蒸气回收(MB1-2)、港作机械油改电(MB2-1)、港作车辆油改气(MB2-2)、增加水水中转(MC2-1)、铁水联运(MC2-2)、管道输送(MC2-4)的份额、路水联运油改气(MC2-3)、船舶发动机加装尾气净化装置(MDl-1)、船舶进出港减速行驶(MD1-2)、内河及沿海短途船舶使用LNG燃料(MD1-3)、设定船舶排放控制区(MD1-4)、船舶进出港及泊港采用低硫油(MD2-1)、靠泊船舶使用岸电(MD2-3)、作业和施工船舶减排对策(MD3))，形成动态的运营情景及其组合，输送至相应的分模块计算排放清单，再加以相同污染物排放量的叠加累积，形成代表性运营情景的排放清单。该动态组合模块的空气污染防治对策与各项分项排放模块的关联性示意图，见图2所示。[0014]所述港口排放模块B由货物储运B1、港作设施B2和集疏运C三个分模块组成，其中的货物储运分模块BI包括干散货分模块Bl-1和液体散货分模块B1-2，所述干散货分模块Bl-1首先按照散货堆场料堆起尘公式(式B1-1-1~式B1-1-5)、装卸作业起尘公式(式B1-1-6~式B1-1-8)和港区道路二次扬尘起尘公式(式B1-1-9)分别计算并存储特定港区堆取料作业、火车卸货、皮带机输送及转接、装船及卸船作业、汽车卸车及装车作业、道路扬尘的PMltl和PM2.5起尘量；所述液体散货分模块B1-2首先按照式B1-2-1~式B1-2-7分别计算并存储特定港区管路和阀门漏散、固定罐注油大呼吸、浮顶罐抽/注油损失、固定罐升温小呼吸、内浮顶罐静止储油损失、外浮顶罐静止储油损失、装车船逸散的VOCs排放量，然后根据研究试验获得的光化学反应生成量函数(式B1-2-8~式B1-2-9)计算并存储该特定港区O3和PM2.5的排放量；所述港作设施分模块B2由港作机械分模块B2-1和港作车辆分模块B2-2组成，根据干散货、液体散货、集装箱、其他货物码头的港作机械和车辆的数量、功率、燃油质量、作业时间或燃油消耗量、耗电量，按照式B2-1~式B2-3分别计算并存储PM2.5、N0x、V0Cs、C0等空气污染物的排放量，其中根据耗电量计算并存储的排放清单为异地排放贡献量；港口集疏运分模块C根据港口干散货、液体散货、集装箱、其他货物的水水联运、铁水联运、路水联运和管道输送的集疏运比例及总量，按照式C2-1~C2-2计算并存储港区及附近范围内不同集疏运方式的集疏运设施数量和运输时间，然后参照式B2-1~式B2-3分别计算并存储港口城市内的集疏运PM2.5、NOx, VOCs, CO等空气污染物的排放量，其中根据耗电量计算并存储的排放清单为异地排放贡献量。
[0015]所述船舶排放模块D由巡航Dl、靠离泊D2和作业施工D3三个分模块组成，每个分模块按照船舶主机、副机、锅炉排放公式(式D-1~式D-9)，并采用各自适合的计算参数，分别计算并存储特定港区进出港船舶在港外一定区域(港外平均运距)巡航、港内区域(港内平均运距)巡航、靠泊、离泊、停泊、待泊、施工船舶作业、以及途经其他港口附近区域期间的PM1(1、PM2.5、NOx, SOx、VOCs, CO、CO2, N2O, CH4等空气污染物的排放量，其中根据耗电量计算并存储的排放清单为异地排放贡献量。 [0016]所述干散货分模块Bl-1的计算方法是:
[0017]第I步，计算料堆风蚀过程中的TSP、PMltl和PM2.5起尘量，具体步骤为:(I)获得料堆的干散货货种，并根据货种特性确定相应的起尘量调节系数Bisw和由货种比重决定的阈值摩擦风速调节系数Cisw，获得货种的含水量w(% ) ；(2)确定第i级粒径(Di, TSP为
IOOym, PMltl为10 μ m，PM2.5为2.5μπι)的物料重量分数wA，并按式Β1-1-1计算起尘因〒kD,，按照式B1-1-2计算阈值摩擦风速(即起尘临界摩擦风速，低于此值时被认为不起尘)uD:t (m/s) ；(3)获得特定港口干散货码头料堆表面积SifcftOii2)和料堆高度Z(l(m)，以及抑尘措施减排系数B麯；(4)收集特定港口全年第j次扰动期间观测高度为z的最大地面风速Uj,z (m/s),按式B1-1-3计算全年第j次扰动期间最大风速时的摩擦风速(m/s),式中κ为沃卡门常数；(5)按式B1-1-4计算当地全年第j次扰动期间最大风速下第i级粒径的风蚀潜势pAJ (g/m2) ；(6)按式B1-1-5计算料堆风蚀起尘中第i级粒径(TSP、PM1C1、PM2.5)年排放量(g/a)。
【权利要求】
1.一种动态组建港口和船舶空气污染物排放清单的计算方法，其特征在于该方法的具体步骤如下: 第1、收集全国港口和船舶运营的现状及历史统计数据或发展规划数据，包括运输状况、动力燃料、减排对策、气象条件、地理位置等，并建立运营情景的动态组合以及空气污染物排放的分析计算模块及数据库； 第2、由第I步所建立的干散货分模块Bl-1中的堆场料堆起尘、装卸作业起尘和港区道路二次扬尘起尘公式，以及干散货物料及其起尘的粒径分布函数，依据第I步所建立数据库中的干散货港区数据，计算特定干散货港区堆取料作业、火车卸货、皮带机输送及转接、装船及卸船作业、汽车卸车及装车作业、道路扬尘的TSP、PM10和PM2.5起尘量； 第3、由第I步所建立的液体散货分模块B1-2中的VOCs源强模型和光化学反应生成量函数，依据第I步所建立数据库中的液体散货港区数据，计算特定液体散货港区管路和阀门漏散、固定罐注油大呼吸、浮顶罐抽/注油损失、固定罐升温小呼吸、内浮顶罐静止储油损失、外浮顶罐静止储油损失、装车船逸散的VOCs排放量和光化学反应二次产物O3和PM2.5的排放量； 第4、由第I步所建立 的港作设施分模块B2中的港口尾气排放计算模型，依据第I步所建立数据库中的港作机械和港作车辆数据，计算港作设施尾气PM2.5、NOx、V0Cs、C0等空气污染物的排放量，以及根据耗电量计算的上述空气污染物的异地排放贡献量； 第5、由第I步所建立的港口集疏运分模块C中的集疏运模型，依据第I步所建立数据库中的港口集疏运数据，计算港区及附近不同集疏运方式的集疏运设施数量和运输时间，再由第4步B2中的港口尾气排放计算模型及数据库，计算不同港口集疏运方式的PM2.5、N0x、V0Cs、C0等空气污染物的排放量，以及根据耗电量计算的上述空气污染物的异地排放贡献量； 第6、由第I步所建立的船舶排放模块D中的船舶尾气排放计算模型，依据第I步所建立数据库中的沿海和内河船舶进出港及平均运距、港口吞吐量和分省水运周转量数据，计算沿海和内河船舶进出及途经港口附近区域期间的巡航、靠泊、离泊、停泊、待泊、施工船舶作业期间船舶主机、副机、锅炉尾气中PM1(1、PM2.5、NOx, SOx, VOCs, CO、CO2, N2O, CH4等空气污染物的排放量，以及根据耗电量计算的船舶岸电发电空气污染物异地排放贡献量； 第7、由第I步所建立的港口和船舶运营情景动态组合模块(A)，依据第I步所建立数据库中的船舶和港口运输状况、动力、燃料的供给、储运装备和集疏运系统的节能减排对策数据，将第2~6步各模块的计算成果按照相应的情景进行组合和叠加计算，给出干散货码头粉尘防治、液体散货码头蒸气回收、港作机械油改电、港作车辆油改气、增加水水中转、铁水联运、管道输送的份额、路水联运油改气、船舶发动机加装尾气净化装置、船舶进出港减速行驶、内河及沿海短途船舶使用LNG燃料、设定船舶排放控制区、船舶进出港及泊港采用低硫油、靠泊船舶使用岸电、作业和施工船舶减排等对策的空气污染物减少排放清单。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第2步堆场料堆起尘公式按照不同的干散货类型设定起尘量调节系数，并根据不同季节的货物含水量及平均风速分别计算粉尘排放量，装卸作业起尘公式按照不同的起尘系数分别计算各装卸作业方式的粉尘排放量，港区道路二次扬尘起尘公式根据不同作业状态下各港区道路的粉尘控制效果和排放源强计算排放清单。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，第3步VOCs源强模型按照不同的液体散货装卸储运方式选择不同的源强模型，并根据不同的码头规模和不同季节的温度分别计算光照反应时段和非反应时段内VOCs排放量，光化学反应生成量函数针对不同的反应物和产物设定反应平衡系数，计算光照反应时段内来自新生及累积VOCs与NO2发生光化学的O3和PM2.5等二次产物的生成量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，第4、5、6步港口、集疏运和船舶尾气排放计算模型除了计算燃油、燃气设施尾气空气污染物的本地排放量之外，还根据电力设施的耗电量计算空气污染物在港口及附近区域以外的异地排放贡献量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，第5、7步港口集疏运模型和运营情景动态组合模块通过动态调整港口规模、节能减排对策以及所在区域水水联运、铁水联运、路水联运和管道输送四种集疏运方式的比例，形成港口的调结构、转方式绿色交通规划方案的定量化指标以及相应减少的空气污染物排放清单。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，第2、3、4、5步港口干散货分模块、液体散货分模块、港作设施分模块、港口集疏运分模块包括了类比分析计算模型及其数据库，在已知特定港口、特定货物吞吐量的实际值或预测值，以及当地气象条件、集疏运状况时，类比分析计算相应的空气污染物排放清单。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，第6步船舶尾气排放计算模型包括不同类型船舶主机、副机发动机及锅炉的功率与船舶载重吨之间的统计回归函数，一旦得知船舶的类型和载重吨、即可以计算出船舶主机、副机发动机及锅炉的功率，该计算模型的数据库包括了特定时间进出中国各个港口的船舶类型、数量、载重吨、载货量、功率、港内港外平均运距及航速的统计数 据，用于支持该模型计算已经发生的船舶进出港空气污染物排放清单，以及所完成的水运周转量、剩余平均运距，该剩余平均运距可用于支持该模型进一步计算船舶途径其他水域的航行距离及其空气污染物排放清单； 第2.1、堆场料堆起尘公式Q料堆,Di ~ [Σ?=ι 货种 X kD.X wDi X Pdu)] x s堆垛 x B措施 这里 & =-0.0001Λ.2+0_ 0328A.+0.1433，Di 为第 i 级粒径，' 为物料重星分数，Pdj = 58(w) - -l.25{Uj — uD ^)，( u.< uD ^ 时 —O ),uD*t = C货种0.59/V.25严w +3.1，Uj = Ujz Χ?^/{φ?ζ^，B货种为起尘量调节系数，C货种为由货种比重决定的阈值摩擦风速调节系数，Sifcft为特定港口干散货码头料堆表面积，Ztl为料堆高度，BgttS抑尘措施减排系数，+,ζ为特定港口全年第j次扰动期间观测高度为z的最大地面风速，K为沃卡门常数； 第2.2、装卸作业起尘公式 Qmm = ^ (?fc X Mfc X A措施〕XA^x ARDi X Hi.23 X U1.6
U=I
X e-o蕭 这里Arm = H Ri = exp (- β Di11)，Ri^ Ri+1为第i级和第i+1级粒子累积重量分数，β、η为粒径分布系数，W为货种的含水量，Mk为第k种装卸作业方式的装卸量，Hk为装卸落差，
【文档编号】G06F19/00GK103927461SQ201410189202
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】乔冰, 赫伟建, 刘轶超, 田玉军 申请人:交通运输部水运科学研究所