面向綠色造船的修造工藝能耗及排放現狀

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.中國船舶工業綜合技術經濟研究院，北京 100081)

0 引 言

國際上，1992年通過的《聯合國氣候變化框架公約》，是應對全球氣候變化給人類經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。基于該公約，2009年在聯合國氣候變化大會上通過的《哥本哈根協議》，更是具有劃時代意義的全球氣候保護協議書。針對地球環境污染持續惡化，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境保護公約《巴黎協定》，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規定且消極地執行相關進程安排，聯合國環境規劃署在《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，隨著近年來高能耗制造業比重的快速增加，能源消耗和環境污染日趨嚴重，國務院印發《“十三五”節能減排綜合工作方案》指出，“全面貫徹黨的十八大及相關會議精神，落實節約資源和保護環境的基本國策，提高能源利用效率和改善生態環境質量”。具體來說：(1)鼓勵傳統制造業轉型升級，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)促進傳統制造業提高產品技術、工藝裝備、能效環保等水平；(3)加強高能耗行業能耗管控，全面推行能效對標，推廣工業智能化用能監測和診斷技術；(4)實行制造業主要污染物排放總量指標等量或減量替代，建立先進的現代制造業環境管理體系。同時，基于節能減排的相關法律規定也陸續出臺和執行，全國人民代表大會于2014年修訂通過《中華人民共和國環境保護法》、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境防治法》，并陸續出臺《“十三五”揮發性有機物污染防治工作方案》和《大氣污染防止行動計劃》等，各地也根據實際情況，出臺相應的法規條例。

船舶修造企業，作為國民經濟的重要支柱，在促進經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模式，勞動力密集，工作條件差，生產強度大且企業利潤較低。同時，修造的各工藝環節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、對生活環境及人體健康危害大等問題，相關的應對及處理措施較少且大多效果不佳。船舶修造企業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環境、改善生活環境的目標任務，而且延緩和滯后低碳環保等措施的開展和實施，以及不能履行和落實相關國際承諾。因此，國務院于2018年頒布《防治船舶污染海洋環境管理條例》及《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》。

1 船舶綠色修造工藝的環保規范

為服務國家戰略，履行相關國際公約，打贏污染防治攻堅戰，國內船舶修造企業應針對自身的能耗和排放問題，積極尋求應對策略，轉型升級。船舶綠色修造工藝的環保規范及要求，主要來自兩個方面：船舶修造企業所在區域的環保規范和綠色航運對船舶修造工藝的環保規范。

1.1 船舶修造的區域環保規范

由于污染物高排放，船舶修造企業已成為各地環保部門的重點監測對象。船舶修造工業發達的主要省份針對船舶修造企業的實際排放情況，在執行國家相關污染排放法規的同時，也相繼出臺具有地方特色及有針對性的行業性法規。上海市頒布《上海市大氣污染防止條例》及《上海市環境保護條例》，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境保護條例。

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

上海市為改善區域大氣環境質量，加強對船舶企業大氣污染物排放的控制和管理，促進相關生產工藝和污染治理技術的進步，結合上海市實際情況，于2015年12月制定并強制實施《船舶工業大氣污染物排放標準》[2]，對船舶修造與海洋工程裝備企業的大氣污染物排放限值、監測、生產工藝和管理要求，以及標準實施與監督進行明確的規定。其中，即用狀態下船用涂料中允許的VOCs最高質量濃度的計算公式為

(1)

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

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

在修造業務之外，船舶企業還承擔廢船拆船及資源回收的業務。廢舊船舶回收作業過程屬于典型的勞動密集型，且容易受到環境安全問題的影響。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-土壤污染等環境問題。2009年，國際海事組織(IMO)通過《香港國際安全與環境無害化拆船公約》，涵蓋船舶的設計、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及拆船工藝環節提出更多節能和環保的要求，促進先進修造工藝及管理技術的應用。

1.2 面向綠色航運的修造環保規范

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海上環境保護委員會(MEPC)決定自2020年起在全球范圍內實施船用燃油硫含量不超過0.50%(質量分數)的規定，并出臺相關的《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提上議程，排放控制區域也將不斷增加。2018年MEPC制定IMO海運溫室氣體(Greenhouse Gas,GHG)減排的初步戰略，確定在21世紀盡快實現航運無GHG排放的愿景，進一步實施新船能效設計指數(Energy Efficiency Design Index,EEDI)的要求以降低碳排放強度。

交通運輸部發布的《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》規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動機需要完全滿足排放標準；沿海控制區范圍由珠三角、長三角、環渤海(京津冀)3個原排放控制水域擴大到中國領海基線外延12海里內所有的海域及港口，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河控制區。上述旨在減少航運排放和保護海洋大氣環境的規定，對船舶設計及修造產生重大影響，特別對國內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、生態環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，現有船舶最晚于2024年9月8日前改裝壓載水管理系統。

2 典型船舶修造工藝的能耗及排放

作為大型的鋼結構，船舶的建造-維修-拆除是繁瑣且系統的工程。造船企業的生產工藝環節眾多，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)、設備舾裝及涂裝等[4-5]，如表1所示。修船企業的生產工藝環節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)及舾裝件的更換調試等。不同工藝環節的目的、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件加工的不同質量要求，在相同工藝環節中，可能選擇不同的加工方式。

3 國內船舶修造企業的能耗及排放調查

為研究國內船舶修造企業的能耗及排放現狀，以船舶修造的工藝流程為主線，對國內6家船舶及海洋工程企業進行調研，主要針對VOCs、粉塵顆粒物及噪聲等展開現狀調查和分析。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(電力設備)及化學能釋放量(燃燒產生的熱量)進行描述和評估。

3.1 船舶修造工藝的能耗現狀

鋼料預處理系統包含板材矯直、表面清理及底漆保護等工序；能源消耗形式為電能，各工序設備的能耗匯總如表2所示。各設備能耗需要根據加工量進行核算：在調研單位中，一家企業的鋼料月加工量為180 000 m2/月，另一家企業的鋼料月加工量

表1 造船企業生產工藝環節的能耗及排放

為10 000 t/月。

表2 鋼料預處理階段各設備的能耗匯總

板材切割環節，根據切割方式，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。某調研單位鋼料切割的設備能耗及月加工量匯總如表3所示。

圖1 材料準備車間日切割量

表3 某調研單位鋼料切割的設備能耗及月加工量匯總

板材成形加工，根據是否加熱，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，不同冷彎設備的能耗如表4所示。

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

表4 板材冷彎成形設備能耗

大量使用手工焊，效率偏低，占據整個建造過程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如表5所示，進而可獲得焊接設備的額定功率；而其電能能耗則需要根據焊接的工作量，即焊縫長度及熔敷量確定。某調研單位的焊接生產數據如下：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

涂裝工藝環節(包含預涂裝、船體結構涂裝及碼頭涂裝等)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。

3.2 船舶修造工藝的排放現狀

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，會產生VOCs。經過調研得知：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，且車間內的分段建造占據消耗量的70%～75%，碼頭涂裝占據消耗量的25%～30%；產生的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。某調研單位2018年涂裝產生的污染物類別及排放量匯總如表6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生大量的粉塵顆粒物。對于修船業務，需要對船體外板進行除銹；采用的露天噴砂工藝，產生的粉塵較多，且多為無組織排放，對大氣環境污染嚴重。船舶修造過程中，在產生粉塵污染的同時，還會產生大量的固體廢物。

同時，船舶修造環節的噪聲污染也比較嚴重，具體如表7所示。

表7 不同修造環節產生的噪聲 dB

4 船舶修造的污染案例

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

5 船舶企業實施節能環保的措施

5.1 VOCs的治理措施

對于低質量濃度有機廢氣的回收治理，多采用吸附式技術，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。根據活性炭的吸附能力，需要每半年左右對設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-催化燃燒設備，進行VOCs的治理[1]。該設備的主要流程為：采用蜂窩活性炭進行吸附濃縮；加熱蜂窩活性炭，實現高質量濃度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實施涂裝作業，實現VOCs的集中處理，減小排放，或實現有組織的排放；(2)室外涂裝作業時，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，減少涂料未附著產生的污染；(4)提高涂裝質量，避免碰撞剮蹭，保留預涂裝底漆，有效地減少后續的返工補漆，減少涂料用量及VOCs的產生，實現減排環保。

表8 環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，避免污染環境。其中，在板材切割生產線上，安裝煙塵回收處理設備，通過下方的進氣管道收集煙塵，能夠有效控制切割產生的煙塵，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，減少焊接煙塵的產生；可采用焊接煙塵凈化設備對焊接煙塵進行收集處理。然而，由于焊工數量大，工作位置分散，不太適合大規模的全面應用，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備。該設備通過管道將焊接煙塵吸入箱體，利用濾網收集焊接煙塵；內部濾網每季度除塵1次，每年更換1次濾網。同時，可對車間內產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，為解決其產生的粉塵問題，開發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，保護大氣及生態環境。

6 結論及展望

基于節能和環保的理念，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，進行相應的技術改進和工藝優化研究。分析國內船舶修造企業存在的問題和不足，借鑒國外先進船廠和國內先進制造企業的成功經驗，對后續船舶修造企業的生產設備升級改造和科學管理，具有重要的指導意義。具體如下：

(1) 由于環境污染持續加劇和環保法規逐步強化，國內船舶修造企業面臨的困難急劇增加，需要樹立環保意識，改造加工車間，優化流程及工藝，加速轉型升級，提高市場競爭力。

(2) 船舶修造的不同工藝環節能耗現狀統計較難，不同船廠及不同時段，生產加工量區別較大；國內船舶修造企業大多未建立生產車間及不同時段的能耗精細化監控系統。

(3) 國內船舶修造企業的污染物排放違規較為嚴重，且不同區域船廠的側重點有所不同；采用設備改造及工藝優化等措施，可有效地減少排放，降低環境污染。

(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。