廢舊玻璃鋼漁船的綠色拆解與回收利用

杜尊峰，吳俊凌

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300354)

玻璃鋼具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特性，以玻璃鋼作為船體材料建造的漁船表面光滑、船體輕、阻力小、航速快、易于清洗、壽命長(zhǎng)，在經(jīng)濟(jì)方面優(yōu)于鋼質(zhì)和木質(zhì)漁船，因此在發(fā)達(dá)國(guó)家有很大市場(chǎng)[1-3]。目前，美國(guó)近海18 m以下的捕撈漁船全部由玻璃鋼制造，日本漁船均是玻璃鋼漁船[4]。中國(guó)自20世紀(jì)70年代建造第一艘玻璃鋼漁船以來(lái)，截至2017年，盡管玻璃鋼漁船總量還未超過(guò)漁船總量的1 %[5]，但該數(shù)量仍在不斷增加。當(dāng)前玻璃鋼漁船大多在40 m以下，隨著歐盟“地平線2020”規(guī)劃Fiber Ship項(xiàng)目的推進(jìn)，未來(lái)玻璃鋼漁船將有望超過(guò)50 m[6]，朝大型化不斷邁進(jìn)。

當(dāng)前業(yè)內(nèi)采用簡(jiǎn)單拆解、填埋或焚燒處置廢舊玻璃鋼漁船，甚至直接棄置于淺灘地區(qū)，存在環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，影響玻璃鋼漁船的進(jìn)一步推廣。國(guó)外玻璃鋼漁船數(shù)量龐大，處置這些廢舊玻璃鋼漁船面臨嚴(yán)峻的環(huán)保問(wèn)題。盡管這種處置方法不環(huán)保，但是在當(dāng)前中國(guó)廢舊玻璃鋼漁船船型尺度較小和數(shù)量較少的情況下，暫且行之有效。隨著中國(guó)玻璃鋼漁船的普及與大型化，也將面臨處置問(wèn)題。在大力發(fā)展生態(tài)文明以及全世界共同創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的今天，廢舊玻璃鋼漁船的無(wú)害化處理不僅關(guān)乎玻璃鋼漁船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與推廣，更關(guān)系到保護(hù)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。

國(guó)際上鋼質(zhì)海船的拆解技術(shù)已經(jīng)成熟，但由于玻璃鋼漁船在船體材料及建造工藝與鋼質(zhì)海船具有本質(zhì)區(qū)別，這些拆解做法無(wú)法完全套用在玻璃鋼漁船上。例如：玻璃鋼材料與鋼材不同，難以二次利用，且其塑性小、脆性大，容易發(fā)生斷裂，板材切割的用具、拆解順序、廢料回收方面都會(huì)發(fā)生變化；玻璃鋼漁船分段連接均采用膠接與鉚接[7]，鋼質(zhì)海船采用焊接，這直接影響拆解切割位置。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)玻璃鋼漁船大型化和數(shù)量增加帶來(lái)的拆解難題，本文借鑒鋼質(zhì)海船拆解成熟經(jīng)驗(yàn)，考慮玻璃鋼漁船設(shè)備安裝工藝與船體材料特性，通過(guò)分析玻璃鋼漁船拆解過(guò)程中的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，提出一套玻璃鋼漁船綠色拆解與回收利用流程。

1 國(guó)內(nèi)外玻璃鋼漁船拆解基本現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)基本現(xiàn)狀

中國(guó)政府重視漁船報(bào)廢與拆解，2012年原農(nóng)業(yè)部《海洋捕撈漁船拆解操作規(guī)程(試行)》[8]，對(duì)漁船實(shí)行定點(diǎn)拆解制度，拆解方案遞交相關(guān)部門(mén)審核。2015年財(cái)政部印發(fā)《船舶報(bào)廢拆解和船型標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)助資金管理辦法》[9]，對(duì)漁船拆解實(shí)施補(bǔ)貼。2017年，財(cái)政部下達(dá)2017年漁業(yè)發(fā)展與船舶報(bào)廢拆解更新補(bǔ)助資金的通知[10]，支持漁船提前報(bào)廢拆解、更新改造工作。隨后的幾年里，財(cái)政部下發(fā)漁業(yè)發(fā)展與船舶報(bào)廢拆解更新補(bǔ)助資金清算結(jié)果[11-12]，進(jìn)一步支持漁船報(bào)廢與拆解工作。截至2019年12月底，“十三五”期間中國(guó)累計(jì)拆解漁船20 414艘，其中大部分是木質(zhì)漁船與鋼質(zhì)漁船[13]。

盡管中國(guó)政府重視漁船拆解工作，但是玻璃鋼漁船拆解的相關(guān)研究卻一片空白，政府也沒(méi)有出臺(tái)一套合理地針對(duì)玻璃鋼漁船處置的監(jiān)督機(jī)制。廢舊玻璃鋼漁船在處置中很容易造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，目前我國(guó)玻璃鋼漁船體量小[14]、船齡短，還未面臨廢舊玻璃鋼漁船拆解的環(huán)保挑戰(zhàn)，隨著我國(guó)玻璃鋼漁船大型化與數(shù)量與日俱增，環(huán)境污染與資源浪費(fèi)問(wèn)題將日趨嚴(yán)重。

1.2 國(guó)外基本現(xiàn)狀

玻璃鋼漁船在國(guó)外已經(jīng)普及，日本、韓國(guó)、美國(guó)、俄羅斯和挪威等國(guó)的大部分廢舊漁船為35 m以上的大型遠(yuǎn)洋與近海玻璃鋼漁船。國(guó)外重視漁船拆解，對(duì)報(bào)廢漁船采取補(bǔ)貼制度。2011年西班牙頒布拆船計(jì)劃，為西班牙漁船的報(bào)廢提供超過(guò)2 800萬(wàn)歐元的資助[15]。然而，直接棄置廢棄玻璃鋼漁船的事件仍有發(fā)生，在西班牙Brava海岸與Barcelona海岸帶有大量的玻璃鋼漁船被棄置[16]。盡管玻璃鋼漁船制造的成本低廉，但處置的費(fèi)用卻很高，在日本港口也有大量的廢舊玻璃鋼漁船遭到棄置[17]。

目前國(guó)外主要采用機(jī)械切割的方法將玻璃鋼漁船切成小塊片狀玻璃鋼廢料，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，玻璃鋼廢料的主流處置方法有三種：一是填埋。由于認(rèn)為玻璃纖維很難從聚合物基體、熱固性基體中分離出來(lái)，這種方法最為常用[18-19]；二是重新回收那些相對(duì)品質(zhì)較好的玻璃鋼廢料并直接用于其他玻璃鋼船的修補(bǔ)與建造；三是作為混凝土用的骨料[20]，學(xué)者針對(duì)玻璃鋼廢料與水泥基砂漿的混合比例、顆粒形狀、密度分布、副產(chǎn)品特性等開(kāi)展了大量研究[21-23]。填埋玻璃鋼廢料可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，2004年以后歐盟成員國(guó)內(nèi)禁止玻璃鋼廢料的填埋[24]；回收利用對(duì)于玻璃鋼廢料的品質(zhì)要求高，市場(chǎng)需求敏感，難以完全適用所有玻璃鋼漁船；雖然破碎為骨料相較其他方法更經(jīng)濟(jì)高效，但是國(guó)外學(xué)者認(rèn)為玻璃鋼骨料的混凝土強(qiáng)度以及耐久性不如天然骨料的混凝土[25]。此外，切割玻璃鋼板材時(shí)產(chǎn)生的玻璃纖維粉塵會(huì)污染環(huán)境與傷害人體[26-29]，不夠環(huán)保。

盡管?chē)?guó)外在廢舊玻璃鋼漁船處置和玻璃纖維廢料再利用上已積累一定的經(jīng)驗(yàn)與方法，但還是難以適應(yīng)未來(lái)玻璃鋼漁船大型化與數(shù)量增加所帶來(lái)的處置問(wèn)題。

2 玻璃鋼漁船拆解工藝與技術(shù)

2.1 總體流程

中國(guó)在鋼質(zhì)海船的拆解方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)并且做法已經(jīng)成熟，且中國(guó)的拆船廠已率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶的綠色回收，符合國(guó)際上對(duì)健康、安全和環(huán)境的嚴(yán)格規(guī)定，其中一些拆船廠符合《2009香港國(guó)際安全與環(huán)境無(wú)害化拆船公約》(簡(jiǎn)稱《香港公約》)[30]和《歐盟拆船規(guī)范》[31]。由鋼質(zhì)海船的拆解方式入手，研究玻璃鋼漁船的拆解是對(duì)經(jīng)驗(yàn)的傳承、應(yīng)用與延續(xù)。

玻璃鋼漁船與鋼質(zhì)海船最大的不同在于建造材料、成型工藝、機(jī)械連接和船載設(shè)備部分。在考慮上述不同點(diǎn)對(duì)玻璃鋼漁船拆解過(guò)程產(chǎn)生影響的前提下，總結(jié)過(guò)去成熟的拆解經(jīng)驗(yàn)，提出玻璃鋼漁船拆解的具體工序。玻璃鋼漁船拆解的總體流程中主要包括5個(gè)步驟：制定拆解方案、清除船上有害物質(zhì)、船上設(shè)備拆除回收、船體拆解與廢料回收。在上述步驟之后應(yīng)清理拆解場(chǎng)地，便于下一艘船舶的拆解。上述步驟與具體內(nèi)容，如圖1所示。

2.2 有害物質(zhì)的清除

有害物質(zhì)會(huì)危害人類健康、傷害生物資源、損害休息環(huán)境等，當(dāng)前廢舊玻璃鋼漁船重量基本都小于500 t，不適用《香港公約》的規(guī)定，但是公約中給出了合理清除有害物質(zhì)的途徑與策略。玻璃鋼漁船上有害物質(zhì)的清除可依照公約推薦做法，在清除公約中規(guī)定有害物質(zhì)(如廢油、廢鉛蓄電池等)的基礎(chǔ)上，再清除其他有害與潛在有害物質(zhì)，特別是漁船上大量采用的保麗龍與尼龍[32]。工人需佩戴防護(hù)用具，降低有害物質(zhì)對(duì)人體健康的影響。玻璃鋼漁船重量輕，能夠輕松吊至封閉的清潔區(qū)中進(jìn)行有害物質(zhì)清除，實(shí)現(xiàn)綠色化、環(huán)境無(wú)害化地清除有害物質(zhì)。

圖1 玻璃鋼漁船拆解總體流程Fig.1 Dismantling process of FRP fishing vessel

2.3 船上設(shè)備拆除回收

玻璃鋼漁船的類型不同，設(shè)備的種類與安裝位置不同，將會(huì)影響拆解時(shí)設(shè)備拆除回收的做法與流程。玻璃鋼漁船除了一般的航行、錨泊、消防和救生設(shè)備外，還包括探魚(yú)、捕撈、冷凍冷藏以及漁加工設(shè)備等。

玻璃鋼漁船設(shè)備的拆除原則是在保證結(jié)構(gòu)與設(shè)備安全與完整的前提下，采取“先易后難”與“價(jià)高優(yōu)先”的策略，拆除的設(shè)備經(jīng)過(guò)清洗維修后能夠出售給第三方以提升經(jīng)濟(jì)效益。玻璃鋼漁船的設(shè)備采用機(jī)械連接與船體連接：由螺栓和鉚釘穿過(guò)層板，同時(shí)輔以膠合和多種材料的襯墊，板材連接孔處填充樹(shù)脂，避免玻璃纖維裸露。鉚釘連接的設(shè)備在拆卸時(shí)，采用電鉆或手砂輪破壞鉚釘頭后拆取設(shè)備；螺栓連接的設(shè)備需要旋下螺母后拆取設(shè)備。

此外，在玻璃鋼漁船拆解時(shí)，還有兩個(gè)需要注意的內(nèi)容。其一，不同類型玻璃鋼漁船的捕撈設(shè)備差別較大、形體不規(guī)則，且一般安裝于主甲板處，會(huì)對(duì)后續(xù)其他設(shè)備的拆解產(chǎn)生阻礙，因此，盡管大部分情況下捕撈設(shè)備的價(jià)值并不高，但出于拆解流程的便利性，需要首先進(jìn)行拆除。其二，由于玻璃鋼材料的脆性，不能隨意切割外板以達(dá)到拆除設(shè)備的目的(切割一部分玻璃鋼板，可能會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的蠕變和坍塌)。故而，船體拆解和設(shè)備拆除是穿插進(jìn)行的。如在甲板室中的設(shè)備，待上層建筑拆除后，移除甲板室頂部玻璃鋼板后拆除；在內(nèi)層甲板上安裝的設(shè)備，待上層甲板拆除后拆除；船底板安裝的設(shè)備，待所有甲板拆除后移除。

2.4 玻璃鋼船體拆解

一般玻璃鋼漁船的船體結(jié)構(gòu)可以分為上層建筑、主甲板、二層甲板(若有)、船底板和舷側(cè)外板。玻璃鋼漁船船體拆解的原則是從上至下、由艏到艉進(jìn)行：首先拆解上層建筑，隨后由船艏向船艉分段切割主甲板與二層甲板，最后切割船底板和舷側(cè)外板。切割完成后壓扁分段，轉(zhuǎn)運(yùn)至二次切割區(qū)域進(jìn)一步切割成小塊，做進(jìn)一步回收處置。此外，工程上在切割船體時(shí)還有其他類似的實(shí)踐：首先切割上層建筑，隨后先切割船艏，再由船艏、船艉不斷向船舯切割。

目前，大型玻璃鋼漁船基本都采用的是分次成型的工藝，對(duì)于分次成型的構(gòu)件和殼體需要進(jìn)行膠合。膠合的方式包括搭接、對(duì)接等等，這些膠合部位的強(qiáng)度較差、玻璃纖維含量少。在切割分段時(shí)，優(yōu)先選擇玻璃鋼板材連接處進(jìn)行切割，盡可能減少切割產(chǎn)生的粉塵并能夠保證分段玻璃鋼板材的完整性，便于二次回收，提高經(jīng)濟(jì)效益與保護(hù)環(huán)境。由于玻璃纖維夾層在切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，需要在封閉區(qū)域內(nèi)進(jìn)行拆解并做好防護(hù)措施，降低對(duì)環(huán)境的污染與人體的危害。此外，由于玻璃鋼材料具有一定的脆性，在切割船體時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致坍塌，因此在切割時(shí)需要用吊機(jī)輔助切割，避免結(jié)構(gòu)坍塌帶來(lái)的安全事故。

2.5 玻璃鋼板材切割方法

使用熱切割的方法可能會(huì)引發(fā)玻璃鋼中樹(shù)脂軟化甚至燃燒，從而產(chǎn)生有害氣體或?qū)е禄馂?zāi)等。因此，采用機(jī)械切割、水射流切割[33]兩種方法對(duì)玻璃鋼進(jìn)行切割，降低環(huán)境污染與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)械切割是用動(dòng)力鋸或其他大型切割工具，具有便宜實(shí)用、操作便利的特點(diǎn)。但是，這種方法在切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，同時(shí)玻璃鋼易脆，切割時(shí)很容易破壞完整的板材，降低拆解的經(jīng)濟(jì)效益。因此，不推薦這種方法用于玻璃鋼漁船的拆解。

水射流切割的原理是以水為介質(zhì)，通過(guò)渦輪增壓器形成高壓水射流，隨后在混合室中混合磨料與氣體形成三相混合物并經(jīng)噴嘴噴出，磨料以顆粒的形式撞擊材料表面，在材料表面產(chǎn)生剪切作用，大量撞擊彈跳的磨料顆粒在高壓水的限制下反復(fù)沖擊材料，最終使材料發(fā)生疲勞破壞，此外，混合的氣體也對(duì)材料表面產(chǎn)生剝蝕效果，提高了切割的效率。水射流切割除了高壓水泵與液壓動(dòng)力設(shè)備以外，沒(méi)有其他的噪音來(lái)源，振動(dòng)小，對(duì)環(huán)境影響小。同時(shí)，由于水的存在，大大降低了切割過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵，能夠冷卻玻璃鋼材料，使之切割出完整和邊緣平整的玻璃鋼板，提高拆解的經(jīng)濟(jì)效益。

盡管水射流切割設(shè)備初期投資成本較高，但自動(dòng)化操作能夠降低人工成本，切割的玻璃鋼板能夠有效回收利用，帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)效益。此外，磨料水經(jīng)回收后能夠重復(fù)利用，使用成本較低。綜上所述，水射流切割具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)，特別適用于玻璃鋼漁船的板材切割。

3 玻璃鋼廢料回收

切割后形態(tài)完好的玻璃鋼板材一般會(huì)投入市場(chǎng)二次利用，其余玻璃鋼廢料的回收利用是玻璃鋼漁船拆解的最后一步，也是決定拆解全過(guò)程能否真正綠色環(huán)保的關(guān)鍵一步。玻璃鋼廢料回收是玻璃鋼材料特性最重要的體現(xiàn)。目前，中國(guó)、美國(guó)等國(guó)家或地區(qū)對(duì)玻璃鋼廢料主要采取填埋的方式。玻璃鋼材料具有化學(xué)惰性，填埋后難以降解，污染土壤，此外，玻璃鋼材料中的有機(jī)有害物質(zhì)會(huì)吸附于顆粒上，借助于水生、陸生食物鏈不斷富集，對(duì)生態(tài)環(huán)境以及人體造成危害。

除填埋外，傳統(tǒng)玻璃鋼廢料回收方法概括起來(lái)可分為物理、化學(xué)和能量回收3種工藝(表1)[34]，盡管3種傳統(tǒng)回收工藝使用廣泛，但都具有較大的局限性[35]。

表1 廢舊玻璃鋼回收工藝比較

為此，需要研究新興的玻璃鋼廢料回收技術(shù)。當(dāng)前，物理回收產(chǎn)物的社會(huì)接受程度較低，化學(xué)回收的效率低下，能量回收的產(chǎn)物能夠補(bǔ)充社會(huì)電力、熱力需要，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。然而，傳統(tǒng)的能量回收采用焚燒的方法，會(huì)排放大量的有害物質(zhì)。新興的能量回收通過(guò)生物化學(xué)、物理化學(xué)以及熱化學(xué)工藝處理玻璃鋼廢料，以熱化學(xué)中的氣化技術(shù)效率最高。傳統(tǒng)的氣化工藝溫度僅400 ℃～850 ℃，該溫度只能分解85 %的廢料[36]。等離子氣化技術(shù)利用等離子體啟動(dòng)氣化反應(yīng)，提供高達(dá)15 000 ℃的高溫，能夠有效分解玻璃鋼廢料中的各種成分并轉(zhuǎn)化為能源或其他有用的產(chǎn)品，并不像傳統(tǒng)燃燒方法一樣會(huì)加重環(huán)境負(fù)擔(dān)，從而實(shí)現(xiàn)綠色回收。

具體來(lái)說(shuō)，等離子氣化技術(shù)用于玻璃鋼廢料處理的步驟包括，首先將玻璃鋼廢料經(jīng)物理切割為小塊，投入等離子氣化爐中，向爐中供給氧氣，高溫環(huán)境將玻璃鋼廢料分解為合成氣與殘?jiān)?，合成氣?jīng)除硫后出售或用于發(fā)電，廢渣經(jīng)回收后能夠出售和二次利用。等離子氣化技術(shù)的產(chǎn)物和投入物如圖2所示。

圖2 等離子氣化技術(shù)原理圖Fig.2 Principle of plasma gasification technology

盡管等離子氣化技術(shù)在玻璃鋼廢料回收利用方面具有廣闊的前景，但作為資金密集型技術(shù)，當(dāng)前仍未在玻璃鋼漁船拆解領(lǐng)域推廣使用。隨著社會(huì)對(duì)玻璃鋼漁船拆解需求的增加，等離子氣化技術(shù)的應(yīng)用成本將不斷降低，收益也會(huì)隨之提高[37]，此外，人們環(huán)保意識(shí)的提高也將進(jìn)一步促進(jìn)等離子氣化技術(shù)在玻璃鋼漁船拆解領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)當(dāng)前國(guó)內(nèi)玻璃鋼漁船拆解缺乏一套系統(tǒng)有效的作業(yè)流程。玻璃鋼漁船在拆解過(guò)程中很容易造成環(huán)境污染，隨著未來(lái)玻璃鋼漁船大型化與數(shù)量增加，政府出臺(tái)一套適用于玻璃鋼漁船拆解的監(jiān)督與反饋機(jī)制勢(shì)在必行。

(2)玻璃鋼漁船綠色拆解的主要步驟為：首先清除漁船有害物質(zhì)，隨后拆除捕撈設(shè)備，其余設(shè)備根據(jù)價(jià)值大小先后拆除，設(shè)備拆除過(guò)程中涉及不同連接工藝，需要根據(jù)實(shí)際情況，保證無(wú)損拆除。玻璃鋼漁船船體按照從上至下、由艏到艉切割拆解。切割拆解過(guò)程用吊機(jī)輔助切割，避免結(jié)構(gòu)坍塌帶來(lái)的安全事故。

(3)采用機(jī)械切割或水射流切割船體能夠避免玻璃鋼中的樹(shù)脂燃燒。玻璃鋼在封閉區(qū)域內(nèi)進(jìn)行切割，避免玻璃纖維粉塵污染環(huán)境。盡量選擇玻璃鋼板材連接處進(jìn)行切割，提高拆解的經(jīng)濟(jì)效益和減少切割粉塵。水射流切割能夠降低粉塵，保證板材完整性，特別適合玻璃鋼板材的切割。

(4)無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，玻璃鋼廢料的處置仍然以填埋為主，不夠綠色環(huán)保。傳統(tǒng)玻璃鋼廢料回收工藝雖然使用廣泛，但有很大的局限性。等離子氣化技術(shù)在玻璃鋼廢料處理方面有廣闊的前景，但由于其成本高昂還未在拆船領(lǐng)域使用。隨著待拆解玻璃鋼漁船數(shù)量的增加與人們環(huán)保意識(shí)的提高，該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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