面向綠色造船的修造工藝能耗及排放現(xiàn)狀

王江超，包張靜，洪方智，卓子超，楊 洋

(1.華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074； 2.中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京 100081)

0 引 言

國際上，1992年通過的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，是應對全球氣候變化給人類經(jīng)濟和社會帶來不利影響的國際公約，也是國際社會在應對全球氣候問題上進行國際合作的一個基本框架?；谠摴s，2009年在聯(lián)合國氣候變化大會上通過的《哥本哈根協(xié)議》，更是具有劃時代意義的全球氣候保護協(xié)議書。針對地球環(huán)境污染持續(xù)惡化，鼓勵使用可再生能源且減少污染物排放，2015年在巴黎氣候變化大會上達成的全球性環(huán)境保護公約《巴黎協(xié)定》，為全球應對氣候變化行動作出部署和安排。然而，隨著美國的退出，以及其他各成員國并未嚴格遵守相關(guān)規(guī)定且消極地執(zhí)行相關(guān)進程安排，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署在《2019年排放差距報告》中失望地指出“排放更為嚴重，無法達到目標”。

在國內(nèi)，隨著近年來高能耗制造業(yè)比重的快速增加，能源消耗和環(huán)境污染日趨嚴重，國務院印發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》指出，“全面貫徹黨的十八大及相關(guān)會議精神，落實節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，提高能源利用效率和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量”。具體來說：(1)鼓勵傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，深入實施“中國制造2025”，促進其高端化、智能化、綠色化、服務化；(2)促進傳統(tǒng)制造業(yè)提高產(chǎn)品技術(shù)、工藝裝備、能效環(huán)保等水平；(3)加強高能耗行業(yè)能耗管控，全面推行能效對標，推廣工業(yè)智能化用能監(jiān)測和診斷技術(shù)；(4)實行制造業(yè)主要污染物排放總量指標等量或減量替代，建立先進的現(xiàn)代制造業(yè)環(huán)境管理體系。同時，基于節(jié)能減排的相關(guān)法律規(guī)定也陸續(xù)出臺和執(zhí)行，全國人民代表大會于2014年修訂通過《中華人民共和國環(huán)境保護法》、2015年第二次修訂通過《中華人民共和國大氣污染防治法》、2018年第二次修正通過《中華人民共和國環(huán)境影響評價法》、2020年第二次修訂通過《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》，并陸續(xù)出臺《“十三五”揮發(fā)性有機物污染防治工作方案》和《大氣污染防止行動計劃》等，各地也根據(jù)實際情況，出臺相應的法規(guī)條例。

船舶修造企業(yè)，作為國民經(jīng)濟的重要支柱，在促進經(jīng)濟增長及改善人民生活方面起到重要的作用；然而，目前我國的船舶修造工藝還大多處于粗放型的生產(chǎn)模式，勞動力密集，工作條件差，生產(chǎn)強度大且企業(yè)利潤較低。同時，修造的各工藝環(huán)節(jié)都面臨著能耗需求大但利用率低、廢料污染物排放種類多且量大、對生活環(huán)境及人體健康危害大等問題，相關(guān)的應對及處理措施較少且大多效果不佳。船舶修造企業(yè)的能耗及污染物排放不僅嚴重地影響和制約我國保護生態(tài)環(huán)境、改善生活環(huán)境的目標任務，而且延緩和滯后低碳環(huán)保等措施的開展和實施，以及不能履行和落實相關(guān)國際承諾。因此，國務院于2018年頒布《防治船舶污染海洋環(huán)境管理條例》及《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》。

1 船舶綠色修造工藝的環(huán)保規(guī)范

為服務國家戰(zhàn)略，履行相關(guān)國際公約，打贏污染防治攻堅戰(zhàn)，國內(nèi)船舶修造企業(yè)應針對自身的能耗和排放問題，積極尋求應對策略，轉(zhuǎn)型升級。船舶綠色修造工藝的環(huán)保規(guī)范及要求，主要來自兩個方面：船舶修造企業(yè)所在區(qū)域的環(huán)保規(guī)范和綠色航運對船舶修造工藝的環(huán)保規(guī)范。

1.1 船舶修造的區(qū)域環(huán)保規(guī)范

由于污染物高排放，船舶修造企業(yè)已成為各地環(huán)保部門的重點監(jiān)測對象。船舶修造工業(yè)發(fā)達的主要省份針對船舶修造企業(yè)的實際排放情況，在執(zhí)行國家相關(guān)污染排放法規(guī)的同時，也相繼出臺具有地方特色及有針對性的行業(yè)性法規(guī)。上海市頒布《上海市大氣污染防止條例》及《上海市環(huán)境保護條例》，湖北省實施《湖北省大氣污染防治條例》，浙江省、福建省及廣東省出臺相應的環(huán)境保護條例。

在船舶修造過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds,VOCs)，因其揮發(fā)性強、有刺激性且有毒，對人體健康特別是呼吸道系統(tǒng)的傷害最為嚴重，甚至危及人們的生命安全，被作為船舶企業(yè)污染排放的重點管控和監(jiān)測對象[1]。

上海市為改善區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量，加強對船舶企業(yè)大氣污染物排放的控制和管理，促進相關(guān)生產(chǎn)工藝和污染治理技術(shù)的進步，結(jié)合上海市實際情況，于2015年12月制定并強制實施《船舶工業(yè)大氣污染物排放標準》[2]，對船舶修造與海洋工程裝備企業(yè)的大氣污染物排放限值、監(jiān)測、生產(chǎn)工藝和管理要求，以及標準實施與監(jiān)督進行明確的規(guī)定。其中，即用狀態(tài)下船用涂料中允許的VOCs最高質(zhì)量濃度的計算公式為

(1)

式中：CVOCs為船用涂料的VOCs質(zhì)量濃度，g/L；Cp和Ct分別為船用涂料和稀釋劑的VOCs質(zhì)量濃度，g/L；Vp和Vt分別為船用涂料和稀釋劑的用量，L。

對于即用狀態(tài)下船用涂料的VOCs質(zhì)量濃度標準，由于涂料類型和涂裝作業(yè)區(qū)域不同而略有差別。同時，在船舶修造過程的預處理和室內(nèi)涂裝過程中，VOCs的排放標準(排放限值和排放速度)也有相應的具體規(guī)定。

在修造業(yè)務之外，船舶企業(yè)還承擔廢船拆船及資源回收的業(yè)務。廢舊船舶回收作業(yè)過程屬于典型的勞動密集型，且容易受到環(huán)境安全問題的影響。拆船過程中伴隨著大量的粉塵顆粒物排放、固體廢物處置及水源-土壤污染等環(huán)境問題。2009年，國際海事組織(IMO)通過《香港國際安全與環(huán)境無害化拆船公約》，涵蓋船舶的設(shè)計、建造、運營和維護，以及廢船拆除的準備工作，以促進安全和無害環(huán)境的拆船，確保拆船過程不會對人類健康造成危害，同時不影響船舶安全和運營效率。該公約需要至少代表全球商船總噸位40%的15個國家的支持，在第15個國家批準24個月后生效。全球排名前5位的船舶拆船國家，按噸位計算，占所有船舶拆船量的90%以上，分別為孟加拉國、中國、印度、巴基斯坦和土耳其。在未來，該公約勢必對我國的船舶企業(yè)及拆船工藝環(huán)節(jié)提出更多節(jié)能和環(huán)保的要求，促進先進修造工藝及管理技術(shù)的應用。

1.2 面向綠色航運的修造環(huán)保規(guī)范

國際航運是大氣污染物排放的一個重要源頭，為促進綠色航運，IMO海上環(huán)境保護委員會(MEPC)決定自2020年起在全球范圍內(nèi)實施船用燃油硫含量不超過0.50%(質(zhì)量分數(shù))的規(guī)定，并出臺相關(guān)的《國際防止船舶造成污染公約》修正案[3]；除對碳氧化物、氮氧化物排放提出要求外，船舶顆粒物、碳氫等有害物的排放控制也陸續(xù)提上議程，排放控制區(qū)域也將不斷增加。2018年MEPC制定IMO海運溫室氣體(Greenhouse Gas,GHG)減排的初步戰(zhàn)略，確定在21世紀盡快實現(xiàn)航運無GHG排放的愿景，進一步實施新船能效設(shè)計指數(shù)(Energy Efficiency Design Index,EEDI)的要求以降低碳排放強度。

交通運輸部發(fā)布的《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》規(guī)定嚴格的燃油含量控制標準，要求所有新造船舶所選用的發(fā)動機需要完全滿足排放標準；沿?？刂茀^(qū)范圍由珠三角、長三角、環(huán)渤海(京津冀)3個原排放控制水域擴大到中國領(lǐng)海基線外延12海里內(nèi)所有的海域及港口，并且特別劃定海南水域及港口，排放控制水域不含香港、澳門、臺灣管轄水域；另外新增加長江和西江的內(nèi)河控制區(qū)。上述旨在減少航運排放和保護海洋大氣環(huán)境的規(guī)定，對船舶設(shè)計及修造產(chǎn)生重大影響，特別對國內(nèi)船舶修造工藝的能耗及排放提出更高的要求。

在防治海洋環(huán)境污染方面，IMO于2004年通過《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》，該公約是一項重要的保護海洋環(huán)境國際措施，對防止由于船舶壓載水造成的水生生物入侵、生態(tài)環(huán)境破壞具有里程碑式的意義。該公約在合計商船總噸位不少于世界商船總噸位35%、至少30個國家加入文件12個月后生效。2016年9月8日，隨著芬蘭的加入，該公約正式達到生效條件；2017年9月8日正式實施，當日及以后建造的新船在交船時需要安裝壓載水管理系統(tǒng)，現(xiàn)有船舶最晚于2024年9月8日前改裝壓載水管理系統(tǒng)。

2 典型船舶修造工藝的能耗及排放

作為大型的鋼結(jié)構(gòu)，船舶的建造-維修-拆除是繁瑣且系統(tǒng)的工程。造船企業(yè)的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)眾多，具體包括鋼材預處理(矯正、除銹及噴底漆)、邊緣加工、板材-型材彎曲成形、裝配-焊接(打磨除銹等輔助作業(yè))、設(shè)備舾裝及涂裝等[4-5]，如表1所示。修船企業(yè)的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)主要集中在船體清潔(如：浮游生物除污及涂裝防銹，含油廢水、廢油、有機廢氣及固廢粉塵等的處理)、破損部位的修復(切割及焊接處理)及舾裝件的更換調(diào)試等。不同工藝環(huán)節(jié)的目的、加工對象及物理過程各不相同，采用的加工方式也不盡相同，因此，可能產(chǎn)生的能耗及排放問題也有所差別。

考慮到不同加工方式的能耗成本、自動化水平、勞動強度、實際工程應用中的局限性及構(gòu)件加工的不同質(zhì)量要求，在相同工藝環(huán)節(jié)中，可能選擇不同的加工方式。

3 國內(nèi)船舶修造企業(yè)的能耗及排放調(diào)查

為研究國內(nèi)船舶修造企業(yè)的能耗及排放現(xiàn)狀，以船舶修造的工藝流程為主線，對國內(nèi)6家船舶及海洋工程企業(yè)進行調(diào)研，主要針對VOCs、粉塵顆粒物及噪聲等展開現(xiàn)狀調(diào)查和分析。在能耗方面，不同加工方式消耗的能源種類(主要是電能和化學能)不同，難以直接進行橫向比較，也不易確認其能耗水平和能耗等級，因此，以其額定功率(電力設(shè)備)及化學能釋放量(燃燒產(chǎn)生的熱量)進行描述和評估。

3.1 船舶修造工藝的能耗現(xiàn)狀

鋼料預處理系統(tǒng)包含板材矯直、表面清理及底漆保護等工序；能源消耗形式為電能，各工序設(shè)備的能耗匯總?cè)绫?所示。各設(shè)備能耗需要根據(jù)加工量進行核算：在調(diào)研單位中，一家企業(yè)的鋼料月加工量為180 000 m2/月，另一家企業(yè)的鋼料月加工量

表1 造船企業(yè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的能耗及排放

為10 000 t/月。

表2 鋼料預處理階段各設(shè)備的能耗匯總

板材切割環(huán)節(jié)，根據(jù)切割方式，主要有火焰切割和等離子切割。材料準備車間日切割均量約為2 412 m/d(見圖1)，月加工量約為3 150 t/月。某調(diào)研單位鋼料切割的設(shè)備能耗及月加工量匯總?cè)绫?所示。

圖1 材料準備車間日切割量

表3 某調(diào)研單位鋼料切割的設(shè)備能耗及月加工量匯總

板材成形加工，根據(jù)是否加熱，可分為冷彎成形和熱彎成形。冷彎成形又分為卷制成形和壓制成形。冷彎成形的能源消耗為電能，不同冷彎設(shè)備的能耗如表4所示。

焊接過程工作量大，從鋼材、片體、構(gòu)件、分段、總段一直到船舶整體的裝配-連接，工況復雜，

表4 板材冷彎成形設(shè)備能耗

大量使用手工焊，效率偏低，占據(jù)整個建造過程50%～60%的工時。常見的焊接方法為埋弧焊和CO2焊。船廠常用焊接方法的工藝參數(shù)如表5所示，進而可獲得焊接設(shè)備的額定功率；而其電能能耗則需要根據(jù)焊接的工作量，即焊縫長度及熔敷量確定。某調(diào)研單位的焊接生產(chǎn)數(shù)據(jù)如下：CO2焊的焊縫長度為86.4 km/月，埋弧焊的焊縫長度為43.2 km/月，手工焊的焊縫長度為2.8 km/月。

表5 常用焊接方法的工藝參數(shù)

涂裝工藝環(huán)節(jié)(包含預涂裝、船體結(jié)構(gòu)涂裝及碼頭涂裝等)的能耗約占整個船舶建造能耗的30%左右。各種涂裝設(shè)備的功率為180～1 000 kW不等，具體的能耗與涂裝的工作量相關(guān)。

3.2 船舶修造工藝的排放現(xiàn)狀

鋼料預處理的底漆保護階段及涂裝階段，由于大量使用涂料，會產(chǎn)生VOCs。經(jīng)過調(diào)研得知：在預處理的底漆保護階段，涂料的使用量約為40 000 m3/月，每年可產(chǎn)生的VOCs排放量約為50 000 m3/a。涂裝階段的涂料使用量約為600 000 m3/月，且車間內(nèi)的分段建造占據(jù)消耗量的70%～75%，碼頭涂裝占據(jù)消耗量的25%～30%；產(chǎn)生的VOCs排放量約為150 000 m3/a。

對于殘留VOCs的固體廢棄物如廢油漆渣和廢油漆桶等，通過相關(guān)的再生資源公司進行回收處置。每季度大約處理廢油漆渣2.06 t，廢油漆桶等固廢約50.54 t。某調(diào)研單位2018年涂裝產(chǎn)生的污染物類別及排放量匯總?cè)绫?所示。

表6 涂裝污染物類別及排放量匯總(2018年) t

船舶修造的除銹、切割及焊接工藝都會產(chǎn)生大量的粉塵顆粒物。對于修船業(yè)務，需要對船體外板進行除銹；采用的露天噴砂工藝，產(chǎn)生的粉塵較多，且多為無組織排放，對大氣環(huán)境污染嚴重。船舶修造過程中，在產(chǎn)生粉塵污染的同時，還會產(chǎn)生大量的固體廢物。

同時，船舶修造環(huán)節(jié)的噪聲污染也比較嚴重，具體如表7所示。

表7 不同修造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的噪聲 dB

4 船舶修造的污染案例

根據(jù)相關(guān)法規(guī)，近年來有多家國內(nèi)船舶修造企業(yè)因污染排放受到相關(guān)環(huán)保職能部門的處罰。主要包括如下情況：相關(guān)環(huán)保信息不足(見表8)，VOCs排放超標(見表9)，違規(guī)處理固廢和廢液(見表10)等。

5 船舶企業(yè)實施節(jié)能環(huán)保的措施

5.1 VOCs的治理措施

對于低質(zhì)量濃度有機廢氣的回收治理，多采用吸附式技術(shù)，基于活性炭對VOCs進行回收，并將處理后的氣體通過外部通風管道排出。同時，針對油漆桶堆場的VOCs排放超標的問題，加裝VOCs的收集處理裝置，使用活性炭進行吸附凈化，進而確保排放達標。根據(jù)活性炭的吸附能力，需要每半年左右對設(shè)備的活性炭進行整體更換。

在涂裝車間安裝目前較為先進的吸附-脫附-催化燃燒設(shè)備，進行VOCs的治理[1]。該設(shè)備的主要流程為：采用蜂窩活性炭進行吸附濃縮；加熱蜂窩活性炭，實現(xiàn)高質(zhì)量濃度VOCs的脫附；將濃縮的VOCs送入催化燃燒室，在催化劑的作用下，可使有機廢氣在較低的起燃溫度下發(fā)生無焰燃燒，氧化分解。

對VOCs的綜合治理建議如下：(1)盡量工序前移，或者在條件更好的車間內(nèi)實施涂裝作業(yè)，實現(xiàn)VOCs的集中處理，減小排放，或?qū)崿F(xiàn)有組織的排放；(2)室外涂裝作業(yè)時，采取國外先進造船強國多采用的遮蔽方案，方便VOCs的收集和集中處理；(3)采用VOCs質(zhì)量濃度低的涂料進行相應的涂裝工作，并提高涂料的表面附著率，減少涂料未附著產(chǎn)生的污染；(4)提高涂裝質(zhì)量，避免碰撞剮蹭，保留預涂裝底漆，有效地減少后續(xù)的返工補漆，減少涂料用量及VOCs的產(chǎn)生，實現(xiàn)減排環(huán)保。

表8 環(huán)保評估及公示信息不足處罰案例

表9 VOCs排放超標處罰案例

表10 違規(guī)處理固廢和廢液處罰案例

5.2 粉塵顆粒物的治理措施

針對火焰切割及等離子切割過程中產(chǎn)生的粉塵顆粒物，采用集中收集、通風處理等方式，可確保排放達標，避免污染環(huán)境。其中，在板材切割生產(chǎn)線上，安裝煙塵回收處理設(shè)備，通過下方的進氣管道收集煙塵，能夠有效控制切割產(chǎn)生的煙塵，并且加裝煙塵罩，確保切割煙塵的高效處理。

針對焊接過程的粉塵顆粒物排放，可使用高標準的焊絲焊劑，減少焊接煙塵的產(chǎn)生；可采用焊接煙塵凈化設(shè)備對焊接煙塵進行收集處理。然而，由于焊工數(shù)量大，工作位置分散，不太適合大規(guī)模的全面應用，因此只在若干個固定工位，或者焊接條件允許的位置，使用焊接煙塵凈化設(shè)備。該設(shè)備通過管道將焊接煙塵吸入箱體，利用濾網(wǎng)收集焊接煙塵；內(nèi)部濾網(wǎng)每季度除塵1次，每年更換1次濾網(wǎng)。同時，可對車間內(nèi)產(chǎn)生的煙塵顆粒物進行集中處理，達標后再排放到室外。

外場的修船過程需要對船體外板進行除銹清理，為解決其產(chǎn)生的粉塵問題，開發(fā)的水霧噴砂除銹裝置，可減少99%的粉塵排放，有效地避免粉塵顆粒物的無組織排放，保護大氣及生態(tài)環(huán)境。

6 結(jié)論及展望

基于節(jié)能和環(huán)保的理念，對可能存在的高能耗和能源利用率低、廢料污染物排放量大、環(huán)境污染嚴重和人體健康傷害大等具體問題，進行相應的技術(shù)改進和工藝優(yōu)化研究。分析國內(nèi)船舶修造企業(yè)存在的問題和不足，借鑒國外先進船廠和國內(nèi)先進制造企業(yè)的成功經(jīng)驗，對后續(xù)船舶修造企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備升級改造和科學管理，具有重要的指導意義。具體如下：

(1) 由于環(huán)境污染持續(xù)加劇和環(huán)保法規(guī)逐步強化，國內(nèi)船舶修造企業(yè)面臨的困難急劇增加，需要樹立環(huán)保意識，改造加工車間，優(yōu)化流程及工藝，加速轉(zhuǎn)型升級，提高市場競爭力。

(2) 船舶修造的不同工藝環(huán)節(jié)能耗現(xiàn)狀統(tǒng)計較難，不同船廠及不同時段，生產(chǎn)加工量區(qū)別較大；國內(nèi)船舶修造企業(yè)大多未建立生產(chǎn)車間及不同時段的能耗精細化監(jiān)控系統(tǒng)。

(3) 國內(nèi)船舶修造企業(yè)的污染物排放違規(guī)較為嚴重，且不同區(qū)域船廠的側(cè)重點有所不同；采用設(shè)備改造及工藝優(yōu)化等措施，可有效地減少排放，降低環(huán)境污染。

(4) 面向綠色造船的修造工藝，必然任重而道遠；需要樹立節(jié)能減排的理念，立足實際情況，針對具體問題展開分析，提出切實可行的解決方案。