張海山　張劍鎧　張永恒　秦進(jìn)

摘要：中國(guó)重載鐵路普遍存在雙向運(yùn)量不均衡和反向運(yùn)力浪費(fèi)問(wèn)題。為充分利用反向運(yùn)輸能力，從運(yùn)輸鏈的視角出發(fā)，構(gòu)建了重載鐵路運(yùn)輸鏈碳排放估算模型，重點(diǎn)細(xì)化了重載鐵路反向運(yùn)輸七個(gè)階段的碳排放，并與基準(zhǔn)鏈反向運(yùn)輸碳排放進(jìn)行了對(duì)比。案例結(jié)果表明：重載運(yùn)輸鏈反向運(yùn)輸?shù)木C合碳排放因子為12.495 gCO2/（t·km），相較于基準(zhǔn)鏈的49.759 gCO2/（t·km）減少了四分之三。從降低反向運(yùn)輸碳排放量角度出發(fā)，重載鐵路對(duì)公路運(yùn)輸?shù)奶娲适顷P(guān)鍵，采用重載鐵路方式運(yùn)輸能夠帶來(lái)明顯的碳減排效果。

關(guān)鍵詞：碳排放因子；碳排放估算模型；重載運(yùn)輸鏈；基準(zhǔn)鏈；公轉(zhuǎn)鐵

中圖分類(lèi)號(hào)：X22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

中國(guó)重載鐵路普遍存在雙向運(yùn)量不均衡的問(wèn)題，即去程方向運(yùn)力不足、回程方向運(yùn)力長(zhǎng)期虛糜，是制約重載運(yùn)輸發(fā)展的短板。但是，與公路運(yùn)輸相比，鐵路運(yùn)輸在碳減排方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

在此背景下，通過(guò)“公轉(zhuǎn)鐵”的方式降低貨物運(yùn)輸?shù)奶寂欧懦蔀榱藝?guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)?？紤]全生命周期或者全運(yùn)輸鏈的鐵路行業(yè)碳排放測(cè)算的相關(guān)研究中，諸立超從全生命周期視角構(gòu)建了貨運(yùn)能耗測(cè)度和節(jié)能潛力分析框架，可應(yīng)用于包含公路、鐵路和水路等若干運(yùn)輸方式的集裝箱貨運(yùn)通道。Tao引入了半生命周期的概念，從運(yùn)輸鏈的角度計(jì)算集裝箱運(yùn)輸?shù)亩趸寂欧拧erchan將鐵路貨運(yùn)系統(tǒng)分為鐵路運(yùn)營(yíng)、鐵路車(chē)輛和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施三個(gè)子系統(tǒng)，使用LCA方法對(duì)比利時(shí)鐵路貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)展開(kāi)研究，對(duì)比分析了內(nèi)燃機(jī)車(chē)和電力機(jī)車(chē)分別牽引下的鐵路貨運(yùn)系統(tǒng)的環(huán)保性。

基于全生命周期或者全運(yùn)輸鏈的方法來(lái)測(cè)算鐵路運(yùn)輸碳排放已展開(kāi)了一些的研究，但是大多數(shù)以高速鐵路或多式聯(lián)運(yùn)為研究對(duì)象，鮮有專(zhuān)門(mén)針對(duì)重載鐵路各階段碳排放的研究。文章建立了運(yùn)輸鏈碳排放估算模型（TCA，Transportation Chain As-sessment），計(jì)算得到重載鐵路、公路反向運(yùn)輸鏈全程的碳排放量及運(yùn)輸鏈單位貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量的碳排放量（即綜合碳排放因子）。

1 重載鐵路雙向運(yùn)輸鏈能耗分析

中國(guó)西部地區(qū)煤炭資源豐富，主要集中在山西、陜西、內(nèi)蒙古西部（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：“三西”地區(qū)），而消費(fèi)地多集中在東南沿海和南方等地區(qū)，這導(dǎo)致煤炭產(chǎn)銷(xiāo)地之間存在空間差異，形成了煤炭產(chǎn)地與消費(fèi)地間的運(yùn)輸需求。通常，“三西”地區(qū)的煤炭等貨物采用重載鐵路運(yùn)往東部港口，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為正向運(yùn)輸，回程則稱(chēng)為反向運(yùn)輸，若回程的貨物采用公路運(yùn)輸方式，一來(lái)一回的運(yùn)輸過(guò)程形成雙向運(yùn)輸基準(zhǔn)鏈。正、反向運(yùn)輸均采用重載鐵路的貨物運(yùn)輸過(guò)程稱(chēng)為重載鐵路雙向運(yùn)輸鏈（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：重載運(yùn)輸鏈）。

重載鐵路反向運(yùn)輸是指大宗貨物利用重載鐵路回空方向的富余運(yùn)力開(kāi)展運(yùn)輸業(yè)務(wù)，促進(jìn)雙向運(yùn)輸均衡發(fā)展的方式。重載鐵路反向運(yùn)輸鏈能耗根據(jù)運(yùn)輸組織過(guò)程可分為七個(gè)階段，第一階段，調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)牽引空車(chē)前往各個(gè)裝車(chē)點(diǎn)或堆場(chǎng)過(guò)程的能耗；第二階段，裝卸設(shè)備例如斗輪式堆取料機(jī)、帶式輸送機(jī)等裝車(chē)過(guò)程的能耗；第三階段，調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)從裝車(chē)點(diǎn)或堆場(chǎng)牽引重車(chē)送往調(diào)車(chē)場(chǎng)集結(jié)并送至發(fā)送場(chǎng)過(guò)程的能耗；第四階段，由貨運(yùn)機(jī)車(chē)牽引重車(chē)從發(fā)送場(chǎng)出發(fā)反向送往卸車(chē)端到達(dá)場(chǎng)的運(yùn)輸過(guò)程的能耗；第五階段，調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)牽引重車(chē)去往卸車(chē)點(diǎn)的能耗；第六階段，重車(chē)到達(dá)卸車(chē)點(diǎn)后卸車(chē)設(shè)備例如翻車(chē)機(jī)、螺旋卸車(chē)機(jī)、臂式堆料機(jī)等卸車(chē)過(guò)程的能耗；第七階段，調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)牽引空車(chē)去往存車(chē)線的能耗。

2 雙向運(yùn)輸鏈TCA碳排放估算模型

基準(zhǔn)鏈與重載運(yùn)輸鏈的正向運(yùn)輸過(guò)程均采用重載鐵路運(yùn)輸方式。對(duì)于基準(zhǔn)鏈而言，TCA是指正向采用重載鐵路運(yùn)輸方式及反向采用公路運(yùn)輸方式進(jìn)行貨物裝卸、運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程。對(duì)于重載運(yùn)輸鏈而言，TCA是指正、反向均采用重載鐵路運(yùn)輸方式在裝車(chē)端與卸車(chē)端之間七個(gè)階段的整合。兩種運(yùn)輸鏈主要由裝卸設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、運(yùn)輸對(duì)象等組成。

2.1 重載運(yùn)輸鏈TCA碳排放估算模型

由于重載運(yùn)輸鏈與基準(zhǔn)鏈正向運(yùn)輸方式及過(guò)程相同，故文章重點(diǎn)研究二者反向運(yùn)輸過(guò)程的差異。因?yàn)榉聪蜻\(yùn)輸中各種耗能設(shè)備的能源消耗量難以通過(guò)實(shí)測(cè)方式獲取，所以文章采取基于活動(dòng)的評(píng)估方法，即采用貨物周轉(zhuǎn)量、設(shè)備能耗強(qiáng)度及各能源的碳排放因子計(jì)算某次貨物運(yùn)輸全過(guò)程的碳排放量。文章根據(jù)正向運(yùn)輸及重載鐵路反向運(yùn)輸七個(gè)階段的能耗過(guò)程，建立重載鐵路雙向運(yùn)輸鏈的TCA碳排放估算模型。

Ce= Cpe +Cf +Cs +Ct +Co +Cv +Cx +Cn式（1）

式（1）中，Ce為重載運(yùn)輸鏈的碳排放總量，g；Cpe為重載運(yùn)輸鏈中正向運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量，g；Cf、Cs、Ct、Co、Cv、Cx、Cn分別為反向運(yùn)輸?shù)谝恢恋谄唠A段的碳排放量，g。

各機(jī)車(chē)及裝卸設(shè)備的單位貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量（或裝卸單位重量貨物）的碳排放量計(jì)算如式（2）：

et=It·Fy·Ry式（2）

式（2）中，et為機(jī)車(chē)或裝卸設(shè)備t（t={a，b，h}）單位貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量的碳排放量，gCO2/（t·km）；It為機(jī)車(chē)或裝卸設(shè)備t的單耗，g/（t·km）；Fy為能源y的熱值，GJ/g；Ry為能源y的碳排放因子，gCO2/GJ。

3 案例分析

3.1 案例及模型參數(shù)

該案例以重載鐵路運(yùn)輸通道H反向運(yùn)輸鏈的活動(dòng)為研究對(duì)象，定義ltm - ssgt方向?yàn)榉聪蜻\(yùn)輸方向，將一批共200 kt的貨物分別從ltm、snb、SJ、scn站接入，運(yùn)送到ssgt站，途經(jīng)SH、SS鐵路，該區(qū)段運(yùn)輸全部采用電力牽引，見(jiàn)圖1。

在電力機(jī)車(chē)運(yùn)行速度為48.9 km/h、牽引重量為3 528 t的情況下，根據(jù)相關(guān)綜合模型測(cè)算數(shù)據(jù)，并對(duì)貨運(yùn)單耗進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，得到相應(yīng)的不同電力機(jī)車(chē)類(lèi)型單位貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量的碳排放量，SS3、SS4、調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)的單位貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量的碳排放量分別為8. 953、9.270、10. 816 gCO2/（t·km）。鐵路裝卸設(shè)備單位貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量的碳排放量（或裝卸單位重量貨物）的碳排放量如表1所示。公路運(yùn)輸采用重型貨車(chē)，單位貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量的碳排放量取值為49.0 gCO2/（t·km）。

200 kt的貨物從ltm、snb、SJ、scn站接入，運(yùn)送到ssgt站的需求OD矩陣（單位：lOkt）及距離OD矩陣（單位：km）見(jiàn)圖2。

此案例中選取了2個(gè)裝車(chē)點(diǎn)裝車(chē)，開(kāi)往卸車(chē)站附近的2個(gè)卸車(chē)點(diǎn)，重載鐵路反向運(yùn)輸?shù)钠渌嚓P(guān)參數(shù)值（以ltm - ssgt為例，其他路徑除裝卸貨重量以及運(yùn)輸距離不同外，相關(guān)參數(shù)與ltm - ssgt路徑保持一致）如表2所示。公路裝卸貨重量為100 kt，裝車(chē)采用單斗裝載機(jī)，卸車(chē)采用車(chē)輛白卸的方式，運(yùn)輸距離797 km。

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)分析基準(zhǔn)鏈和重載運(yùn)輸鏈的反向運(yùn)輸碳排放過(guò)程，計(jì)算得到分別從ltm、snb、SJ、scn站出發(fā)，到達(dá)ssgt站的貨物運(yùn)輸碳排放總量以及兩條運(yùn)輸鏈反向運(yùn)輸?shù)木C合碳排放因子如表3所示。從表3可以看出，運(yùn)距越長(zhǎng)、運(yùn)輸量越多的路徑碳排放量越大，其中基準(zhǔn)鏈中l(wèi)tm - ssgt路徑碳排放量最大，是對(duì)應(yīng)重載運(yùn)輸鏈反向運(yùn)輸路徑碳排放的4. 15倍。重載運(yùn)輸鏈反向運(yùn)輸總碳排放量為1 555. 55 t，約為基準(zhǔn)鏈反向運(yùn)輸碳排放量的四分之一，重載鐵路反向運(yùn)輸對(duì)公路貨運(yùn)替代的碳減排效果顯著。通過(guò)對(duì)比，可知重載鐵路鏈反向運(yùn)輸?shù)木C合碳排放因子為12. 495 gCO2/（t·km），遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)鏈反向運(yùn)輸?shù)木C合碳排放因子49. 759 gCO2/（t·km）。因此，相對(duì)于公路運(yùn)輸方式，重載鐵路運(yùn)輸在貨運(yùn)量大、運(yùn)距長(zhǎng)的貨物運(yùn)輸中具備更顯著的碳減排優(yōu)勢(shì)，可以有效地減少碳排放。

4 結(jié)論

文章分析了基準(zhǔn)鏈和重載運(yùn)輸鏈的碳排放，主要結(jié)論如下：基準(zhǔn)鏈反向運(yùn)輸中，運(yùn)距長(zhǎng)且貨運(yùn)量大的ltm - ssgt路徑碳排放量最大，是對(duì)應(yīng)重載運(yùn)輸鏈反向運(yùn)輸路徑的4. 15倍；重載運(yùn)輸鏈、基準(zhǔn)鏈反向運(yùn)輸?shù)木C合碳排放因子分別為12. 495 gCO2/（t·km）、49. 759 gCO2/（t·km），重載運(yùn)輸鏈反向運(yùn)輸?shù)奶寂欧乓蜃觾H為基準(zhǔn)鏈反向運(yùn)輸?shù)乃姆种?。重載鐵路對(duì)公路運(yùn)輸?shù)奶娲軌蝻@著降低運(yùn)輸鏈總碳排放量。

基金項(xiàng)目：中國(guó)神華能源股份有限公司科研項(xiàng)目（2022 - 051）