船舶綠色涂裝裝備與顆粒物排放治理技術

劉洪偉，謝俊鵬，董 浩，顧 勝，楊 帥，李肖艷

(1.上海船舶工藝研究所，上海200032； 2.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州511462)

0 引 言

《中國制造2025》明確提出綠色制造方針，全面推行清潔生產，構建綠色制造體系，船舶綠色制造是未來的重要發展方向之一。我國船舶工業造修船生產材料浪費率高，環境污染嚴重，職業病危害問題突出。特別是船舶涂裝產生的粉塵、揮發性有機污染物(Volatile Organic Compound，VOC)及其他顆粒物排放總量大，環境污染嚴重，涂裝已成為船舶工業的重要污染源之一。船舶涂裝作為船舶制造的重要環節，涂裝生產包括涂裝前除銹和后期噴漆作業，涂裝環節產生的顆粒物主要包括粉塵、漆霧和廢水懸浮顆粒物。

1 涂裝顆粒物來源

船舶行業涂裝顆粒物排放主要有兩大來源：一是表面除銹和除漆產生的顆粒物，包括高壓水表面清理產生的廢水中的鐵銹、漆渣等懸浮污染物；二是油漆噴涂生產時產生的漆霧和VOC。

1.1 表面清理顆粒物

在船舶建造生產過程中，拋丸、分段二次除銹和區域涂裝除銹清理易產生大量粉塵；在修船過程中，船體表面噴砂清理會產生大量粉塵、廢銅礦砂等污染物；超高壓水表面清理會產生大量廢水、漆渣和海生物等污染物。資料顯示，噴砂除銹粒徑≤2 μm的粉塵占75.5%，粒徑為2～52 μm的粉塵占18.9%[1]，上述粉塵顆粒是PM2.5、PM10重要組成物之一。表面清理產生的顆粒物排放，不但污染空氣，也污染水源。此外，顆粒物來源還包括船體涂層破損處，打磨除銹、除漆時產生的粉塵等。

1.2 油漆噴涂顆粒物

在船舶分段等構件涂裝生產過程中，部分霧化油漆并沒有成膜，而是以漆霧的形式飄散在環境中。此外，船舶噴涂伴隨著VOC排放，噴涂產生的VOC是灰霾和光化學煙霧的前體物，對大氣臭氧形成和PM2.5具有重要影響。由于修船廠外板噴涂在開放環境下進行，船塢、碼頭等地油漆噴涂受現場風速、風向等因素影響較大，因此漆霧和VOC排放危害更嚴重。

2 污染排放影響因素

防腐涂裝貫穿于造船全過程，涂裝生產地點分布廣、范圍大，污染物排放因所處地點、采用的工藝及裝備不同而有較大的差異。顆粒物污染排放的影響因素較大，主要包括以下幾個方面。

2.1 施工區域影響

根據涂裝生產的地點，船舶涂裝分為車間內涂裝和外場涂裝。國內船廠基本建立了涂裝車間，涂裝車間內建立完善的污染物通風、凈化設施，在車間內的除銹與噴漆生產基本實現污染物達標排放。但是，船臺、船塢和碼頭等處外場涂裝生產屬于無組織排放，涂裝生產還存在顆粒物污染嚴重的問題。

2.2 涂裝工藝影響

與世界先進船舶企業相比，國內分段二次除銹100%噴砂工藝比掃砂工藝的粉塵排放量高2～3倍。與高壓無氣噴漆工藝相比，船舶構件滾涂、刷涂工藝產生漆霧排放較少。高壓水表面清理技術可有效減少除銹、除漆過程中的粉塵排放，但廢水中懸浮顆粒物濃度高達700～3 000 mg/L。高固體份雙組分油漆噴涂工藝可有效減少油漆VOC的排放。

2.3 工藝裝備影響

綠色表面清理工藝設備可顯著減少顆粒物排放。封閉式噴吸砂工藝裝備將噴砂過程限制在一個局部封閉空間內，可實現鋼砂循環利用、粉塵即時回收凈化，整個清理過程顆粒物排放為零。激光表面清理裝備利用激光高溫熱效應、等離子、超聲波沖擊、熱膨脹撕裂效應去除鋼板表面的鐵銹、漆膜，整個過程只產生輕微的煙霧，顆粒物排放明顯減少。大包裝雙組分油漆噴涂裝備采用大包裝供料，油漆中溶劑揮發少，噴涂過程無溶劑添加，VOC排放顯著降低。

3 涂裝顆粒物治理技術

涂裝作業產生的顆粒物種類多、分布地點廣、排放量大，顆粒物的污染排放治理是一個綠色涂裝工藝、裝備、工裝升級改進有機結合的綜合治理過程，同時結合船廠涂裝生產顆粒物污染排放治理管控，以實現船舶建造企業的涂裝顆粒物污染排放治理。

3.1 粉塵治理技術

3.1.1 逐步淘汰高污染表面清理工藝

外場無組織噴砂除銹工藝產生的粉塵直接排放至周圍大氣環境中，粉塵污染嚴重。隨著國家環境保護力度的不斷加強，全國多個城市環保部門對外場噴砂除銹工藝進行限制。因此，必須逐步淘汰開放式、落后的外場噴砂除銹工藝，轉向采用環保型表面除銹工藝。

3.1.2 綠色表面清理工藝裝備應用

國家對修船廠高污染除銹工藝限制應用政策的實施，迫使國內修造行業尋找替代的綠色工藝解決方案，船廠對綠色表面清理工藝裝備的需求不斷提升。自循環移動拋丸工藝裝備的拋丸清理過程被限制在一個局部封閉空間內進行，可有效減少粉塵排放。研究團隊應用計算流體力學方法對拋丸物理過程進行仿真計算，優化丸料拋射速度和丸料運行路徑，實現空氣流量、真空度和阻力等參數的最佳匹配。除塵器濾袋材料采用聚四氟乙烯覆膜材料，其空隙直徑為0.5 μm，對0.1 μm的粉塵過濾效率可達99.9%。將自循環移動拋丸設備用于修船廠甲板除銹和除漆清理，設備處理效率≥80 m2/h，清潔度達Sa2 1/2。船舶甲板自循環移動拋丸設備如圖1所示。根據環境空氣總懸浮物檢測標準，對設備粉塵排放值進行檢測[2]，結果如表1所示。

圖1 自循環移動拋丸設備

表1 自循環移動拋丸設備粉塵排放值 mg/m3

從表1可知，該設備在作業時與停止后環境粉塵濃度基本一致，說明自循環移動拋丸設備可有效減少粉塵排放，適合特種船舶甲板綠色表面清理。

噴砂清理利用壓縮空氣將鋼砂高速噴出，帶有棱角的鋼砂撞擊、沖刷鋼板表面，得到符合要求的表面清潔度和粗糙度，實現表面清理。由于普通噴砂工藝屬于開放式噴砂，鋼砂和粉塵無規則地向周圍環境排放，不僅造成環境污染，而且產生人身傷害。

將噴砂過程限制在封閉空間內進行，可有效避免鋼砂反彈傷害并減少粉塵排放。研究團隊對噴砂物理過程進行仿真計算，對噴嘴、設備結構與參數進行優化設計。封閉式噴吸砂設備如圖2所示。設備采用大寬度噴砂機結構設計，清潔度達Sa2 1/2級，處理效率≥7 m2/h，采用多級凈化技術對噴砂產生的粉塵進行凈化后排放，滿足分段合龍縫等焊縫附近涂層破損部位的綠色噴砂清理要求。

圖2 封閉式噴吸砂設備

依據環境空氣總懸浮物檢測標準，對封閉式噴吸砂設備粉塵排放值進行檢測，檢測結果如表2所示。由表2可知，設備施工時的粉塵排放濃度較小，遠小于標準規定的數值1 mg/m3。

表2 封閉式噴吸砂設備粉塵排放值 mg/m3

超高壓水表面清理裝置采用旋轉式、多噴嘴、吸盤式設計，清理裝置以磁吸附爬壁機器人為載體。超高壓清理裝置工作產生的漆渣和粉塵被水霧捕獲，經過廢水回收凈化系統處理后排放。超高壓水表面清理裝置如圖3所示。將超高壓水表面清理裝置用于舷側鋼板清理，清潔度達Sa2 1/2級，處理效率≥28.3 m2/h。依據相關標準對環境粉塵排放和污水懸浮物[3]進行檢測，檢測結果如表3和表4所示。

圖3 超高壓水表面清理裝置

表3 超高壓水表面清理裝置粉塵排放值 mg/m3

表4 超高壓水表面清理裝置污水懸浮物檢測值 mg/L

由表3和表4可知，超高壓水爬壁機器人表面裝置可清理有效減少粉塵污染，清理作業產生的污水經沉淀和凈化處理，懸浮物指標可滿足標準要求。然而，廢水排放與回收設備效率有關，廢水回收效率差不僅導致廢水沿船體流入船塢，且會導致爬壁機器人打滑以及鋼板表面存在漆渣殘留，影響表面清理質量。

3.1.3 推進除銹工藝改進

國內船廠船舶分段必須進行100%噴砂處理，并達Sa2 1/2級，因此國內船廠二次除銹污染顆粒物排放量遠高于國外船廠。提高預處理質量、增加耐高溫車間底漆應用比例、減少漆膜破損、及時進行涂層破損部位的跟蹤補涂、保持車間底漆完好率，采用掃砂工藝處理后65%的分段表面可達Sa1～Sa2[4]級，粉塵顆粒物的排放可有效減少。現階段提高修船高壓水除銹工藝應用比例，可有效降低修船表面清理的粉塵排放量，同時配合應用回收凈化技術，減少廢水排放。

3.1.4 建立外場一體化封閉措施

船臺、船塢、碼頭等處外場噴砂產生的顆粒物未經處理直接排放至大氣中，屬于污染物無組織排放，局部顆粒物濃度易超過標準規定的數值。外場粉塵顆粒物治理可采用防塵網、移動室等措施，在噴砂區域建立局部封閉系統，將噴砂產生的顆粒等污染物限制在封閉空間內。為減少粉塵排放，改善工作環境，在局部封閉系統內還須設計通風、溫濕度調節和粉塵回收凈化系統，與局部封閉系統形成外場一體化封閉措施，將顆粒物經過凈化后排放，實現對顆粒物排放的有效治理。

3.2 噴涂顆粒物治理

3.2.1 提高油漆利用率

減少油漆噴涂顆粒物排放量的方法：(1)提高油漆附著率。采用高固體份油漆，減少稀釋劑添加，降低漆霧顆粒的飄散，減少VOC排放。(2)調節噴涂工藝參數，提高噴涂水平，保證涂裝的漆膜厚度在工藝規定的范圍內，避免漆膜過厚現象。(3)規范操作作業，保持噴槍與待涂表面的距離、角度，避免外界環境風速帶來的影響，降低操作不善導致的漆霧過度排放。(4)優化船舶建造工藝流程和管理模式，降低船舶構件在各工序間流轉過程中涂層的破損率，減少重復涂裝次數。

3.2.2 綠色噴涂工藝裝備研發與應用

傳統雙組分油漆噴涂工藝采用20 L小桶包裝，噴涂后油漆約有0.5%～2.5%殘留，浪費嚴重。按此計算，若年消耗107L油漆，則需油漆桶50萬套，而且傳統噴涂工藝需添加5%以內的溶劑，同樣增加VOC的排放。 大包裝雙組分油漆噴涂設備采用大包裝桶供料，大包裝桶容積500～900 L，以滿足分段噴涂要求為宜，且具有攪拌和防爆、泄爆功能。噴涂設備采用電腦油漆配比、自動攪拌、自動混合與動態熟化技術，通過對流量、溫度和生產信息的監控，實現生產信息管理與數據統計功能。該設備的供料系統采用防爆加熱設計，配合立體攪拌、正壓供料技術，解決了噴漆泵頻繁報警問題。大包裝雙組分油漆噴涂設備如圖4所示。

圖4 大包裝雙組分油漆噴涂設備

大包裝油漆封閉式供料模式可減少油漆桶內VOC揮發。大包裝桶循環利用，不僅減少油漆殘留浪費，而且節省了廢油漆桶的處理費用。雙組分油漆不預先混合，因此不存在剩余油漆固化浪費問題。雙組分單獨輸送，因此在不更換油漆種類的情況下，噴漆泵和混合器前的管路無需清洗，每次噴涂至少可減少3 L油漆浪費。通過對實際應用數據進行分析統計，大包裝雙組分油漆噴涂工藝可節省2%～3%的油漆。

按船廠年消耗107L通用組分油漆計算，采用大包裝雙組分油漆噴涂設備可減少VOC排放388 t，節省油漆與溶劑消耗、固廢處理和VOC排放費用總計約2 942萬元，油漆桶的租賃費用與油漆桶采購費用大體相抵，折合至每升油漆可節省約2.94元。大包裝雙組分油漆噴涂工藝VOC減排和經濟效益如表5和表6所示。

表5 大包裝噴涂工藝裝備VOC減排效果

表6 大包裝噴涂工藝裝備經濟效益 萬元

對大包裝噴涂工藝裝備進行數據分析[5]，大包裝噴涂工藝裝備可減少2%～3%油漆浪費，減少VOC排放量高達12.5%，對減少船舶構件涂裝顆粒物排放具有積極的意義。

3.2.3 噴涂工藝裝備改進

由于噴槍與船殼表面有一定的距離，因此在噴涂過程中一部分油漆以漆霧的形式向空中飄散。噴涂顆粒物排放受環境風速影響較大，因此在船塢、碼頭等地外場噴涂時，在噴槍末端設計局部遮擋裝置可有效減少漆霧顆粒物的排放。國內有修船廠船舶外殼噴涂采用局部遮擋裝置，有效地避免了環境氣流對噴漆施工的影響，減少漆霧的污染排放。據統計采用封閉遮擋裝置后，油漆損耗減少20%以上。

3.3 顆粒物排放綜合管控措施

3.3.1 完善涂裝生產管理制度

鋼材表面經二次處理后，經檢驗合格后方可進行涂裝。淡水艙、雙層底、艏艉尖艙、冷卻水艙、貨艙、干舷等部位，以及氣割表面、手工焊縫及邊角等不易噴涂的地方應進行預涂。在船舶構件制造過程中，應加強各工序間的協調，做好中間產品移交工作，減少移交過程中構件涂層的破損，避免重復涂裝現象。

3.3.2 提高油漆利用率

首先，對施工環境進行管控，提高油漆附著率，避免在高風速環境下進行噴涂作業。其次，噴涂生產應按照設計要求的膜厚施工，避免噴涂漆膜過厚現象，減少油漆噴涂浪費。然后，規范油漆噴涂施工作業，噴槍與工件之間距離保持250～400 mm，降低顆粒物排放。最后，大包裝雙組分油漆噴涂裝備在施工時不添加溶劑，可減少VOC排放。

3.3.3 建立顆粒物排放監測制度

船舶企業應建立顆粒物污染排放監督制度，對重點顆粒污染物排放點進行監測，實時掌握顆粒物排放動態，建立顆粒污染物排放數據庫與數據追蹤制度，樹立企業監測數據的可信度，完善船舶企業顆粒物治理管控體系。在有條件的情況下，可向當地管理部門開放監測數據，供地方監管部門進行查詢，實時掌握顆粒物排放情況。

4 小 結

船舶涂裝生產會產生粉塵、漆霧和VOC等多種顆粒污染物，污染物排放量大，環境污染嚴重，現有涂裝裝備無法實現綠色生產，特別是外場涂裝無組織排放使環境污染更加嚴重。增加綠色工藝裝備的應用比例，配合工藝改進與裝備升級以及顆粒物排放綜合管控等綜合治理措施，可有效提高涂裝顆粒物的治理效果，減少污染物排放。