國內船舶企業能耗及污染物排放

王江超， 包張靜， 洪方智， 卓子超， 易 斌

(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

國內船舶企業作為中國實體經濟、傳統制造業的典型代表，當前普遍采用傳統的勞動力密集、能源利用率低且污染物排放量大等特征的粗放型生產模式，已不適合船舶工業高質量發展的要求。與日韓船舶企業相比，我國船舶企業面臨盈利能力差、生產效率低、產能相對過剩等問題。因此，需要樹立節能環保理念，迅速轉型升級，加快管理提升，通過技術革新、工藝優化及管理改進等措施，解決能源利用率低和污染物排放嚴重等突出問題，促進船舶工業提高產品技術含量及其附加值，增強國際市場競爭力。應積極做好頂層規劃與船舶工業布局，加快資源整合，化解過剩產能，盡快產生規模經濟效應，著力提升我國船舶修造工藝與精細化管理水平，穩步提高能源利用率和單位生產效率。王江超等[1]介紹國內船舶企業不同修造環節能耗情況，其主要受到加工量、質量要求、加工方法及能源轉化率等因素影響，并對船舶修造過程中的不同污染物排放情況進行匯總分析，給出針對顆粒物(Particulate Matter，PM)和揮發性有機物(Volatile Organic Compounds，VOCs)的治理措施。

1 船舶修造工藝能耗及污染物排放評估

1.1 智能算法

對于具有復雜內在關系的測量數據，可使用智能算法進行分析。常見的智能算法包括：遺傳進化算法、群體智能算法、模擬退火算法、神經網絡算法等[2]。ANN是由存儲在網絡內部的大量神經元處理單元通過節點連接權重組成的一種信息響應網狀拓撲結構。每個節點代表一種特定的輸出函數，稱為激活函數，每2個節點間的連接代表1個通過該連接信號的權重，ANN通過這種方式模擬人類的記憶。ANN的輸出取決于網絡結構、網絡連接方式、權重和激活函數，其數學表達式為

t=f(WX+b)=f(∑XiWi+b)，i=1,2,…,n

(1)

式中：t為神經元輸出；f為激活函數；W為神經元權重；X為輸入向量；b為神經元偏置閾值；n為輸入分量個數。

1.2 基于BP-ANN的板材日切割量預測模型

圖1給出國內某船舶企業材料加工車間(Material Processing Workshop，MPW)板材日切割量。

圖1 MPW板材日切割量

基于ANN理論構建BP-ANN，可獲得MPW板材日切割量預測模型。BP-ANN是一種按照誤差反向傳播算法訓練的多層前饋神經網絡，其基本思想是梯度下降法，利用梯度搜索技術，使網絡的實際輸出值和期望輸出值的均方誤差為最小。板材日切割量預測模型建模過程如下：

(1)基于前向BP神經網絡，構建MPW板材日切割量預測模型，其中：輸入層節點數為3；隱含層節點數為8，隱含層的激活函數為正切S形激活函數；輸出層節點數為1，輸出層的激活函數為對數S形激活函數。

(2)采用梯度下降動量和自適應學習速率(Learning Rate，LR)算法，訓練BP-ANN，其中：目標誤差為1×10-4；誤差指標為均方誤差；LR為0.05；最大迭代次數為1 000 000。

(3)BP-ANN模型經過不斷的訓練和學習，對板材日切割量進行預測，并與MPW板材日切割量實測數據進行對比，如圖2所示。其中：在計算至第48 978次迭代時，誤差值達到目標值，計算停止，計算時間為84 s。

圖2 MPW板材日切割量實際與預測測量結果對比

(4)結合BP-ANN結構及計算獲得的輸入-輸出隱含層神經元的權重和閾值，構建MPW板材日切割量預測模型，如圖3所示。

1.3 修造工藝能耗評估模型

船舶修造過程中的不同環節所采用的加工設備額定功率及電能轉化效率有所差別，因此能源(電能及化學能)消耗有所不同。基于不同設備的能耗轉化率及其工時占比，設置轉化率權重和占比權重，建立船舶修造工藝能耗評估BP-ANN模型。

注：x為輸入層的前3天日切割量；y為輸出層的第4天日切割量；B為ANN隱含層閾值；W為ANN隱含層權重圖3 MPW板材日切割量預測模型

通過激活函數，計算獲得船舶修造工藝能耗指數。

以船舶修造各環節為基礎，以能耗為輸入參數(即神經元)，分設鋼料預處理、板材切割、板材彎曲成形、焊接和涂裝等能耗函數模塊，再根據各環節的工時、成本和產值等綜合設置工藝模塊權重，實現船舶修造全工藝能耗評估。BP-ANN模型中的板材切割能耗函數模塊如圖4所示。

圖4 板材切割能耗函數模塊

根據能耗指數，評估不同船舶企業的能耗層級及水平。每個工藝能耗函數模塊均包含具體方法的能耗量及其電能轉化率和工時占比率等參數，因此可通過甄別主要能耗環節、能耗無效環節和能耗低效利用環節，指導船舶企業加以改進；通過提高設備的電能轉化率及采用更先進的工藝降低耗電量，進行能耗工藝優化，降低修造成本，進而減小整個船舶修造過程的能耗指數。

1.4 修造工藝污染物排放評估模型

在船舶修造過程中排放的污染物主要分為廢氣、廢水和固體廢物等。針對不同污染物的排放量、對環境的危害程度及其修復成本，設定排放量權重、危害性權重和修復成本權重，建立船舶修造工藝污染物排放評估BP-ANN模型；結合不同工藝的實際污染物排放類型和排放量，通過激活函數，計算獲得船舶修造工藝污染物排放指數，如圖5所示。

圖5 污染物排放指數評估BP-ANN模型

結合國家關于船舶修造過程中的污染物排放標準，在當前船舶修造過程中引入環保制造理念，采用先進工藝及技術，減少權重較大污染物的排放量，可有效減少整個船舶修造過程對環境的污染。

2 國內船舶工業能耗及污染物排放特征

2.1 能耗及污染物排放形式多樣

對于不同的船舶修造工藝而言，由于具體方法不同，其消耗的能源種類各不相同。主要能耗類別是電能，修造工藝通過不同類型的機械設備，在電力驅動下完成船體板材結構加工需求；化學能也經常使用，例如板材火焰切割及水火彎板工藝需要燃燒乙炔、丙烷或天然氣甲烷等產生熱量。在修造工藝實施過程中，存在PM(PM2.5及PM10等)、噪聲、VOCs及其他固廢液廢等污染物的排放，對大氣及生態環境造成嚴重破壞。不同的工藝產生的污染物不同，例如：涂裝工藝主要產生VOCs、危險廢棄物(油漆桶等)；焊接及切割工藝產生煙塵、PM；各工藝均產生噪聲。

2.2 節能和減排對立矛盾突出

在焊接過程中產生的PM嚴重污染環境，需要對其進行集中回收處理。在有組織排放的固定焊接工位，可使用焊接煙塵凈化處理設備。該設備中的抽風系統需要在焊接過程中一直運行，消耗大量電能以降低焊接PM的排放，從而滿足排放標準。在加工車間中，為有效降低無組織源PM的排放量，大多采用大功率抽風系統進行PM的統一收集處理。設備成本及用于PM吸附的濾芯增加修造成本，降低船舶企業利潤。火焰及等離子切割設備PM收集裝置成本更高，占用更大的場地空間，且能耗較大。

對于VOCs的處理，在適于回收的情況下，吸附技術是一種經濟、符合清潔生產理念的選擇，且成本低。涂裝工藝產生的VOCs大多采用熱氧化技術進行凈化處理，包括蓄熱式熱氧化(Regenerative Thermal Oxidation，RTO)技術和蓄熱式催化氧化(Regenerative Catalytic Oxidation，RCO)技術[3]。RTO的運行能耗主要是電和燃料(常用柴油、天然氣)，在啟動及運行過程中需要經常補充燃料以維持燃燒室溫度，燃料消耗取決于蓄熱陶瓷的蓄熱能力。RTO的處理效果較好，但是造價昂貴，占地面積較大，需要對廠房進行改造。RCO具有RTO高效回收能量的特點和催化反應的低溫工作優點，催化燃燒需要的輔助燃料少、能耗低，其主要成本支出在于購置催化劑，但大多只能處理質量濃度低的VOCs。當前，船舶企業大多采用吸附濃縮-脫附-催化燃燒的流程實現VOCs的凈化處理[3]。設備額定功率為261.1 kW，其大功率能耗的運營成本使某些擁有廢氣燃燒處理設備的船舶企業并不經常使用。板材切割及焊接工藝的PM集中收集處理裝置也存在由于設備能耗過高而不經常使用的問題。

先進修造設備的安裝和投產確實可有效降低污染物排放量，然而，其高昂的設備成本費用、大功率能耗運營成本、廠房車間場地的占用和折舊率，均使現有工藝的優化改良和設備的改造升級存在成本劣勢和實際操作的不可行性。為使減排設備正常運轉，起到減少污染物排放的效果，需要使用蜂窩狀活性炭、PM濾芯及貴金屬催化劑等特殊輔助材料，其較高的使用費用影響和制約污染物減排目標的實現。使用無VOCs涂料可有效減少涂裝工藝的VOCs排放，然而，由于其生產工藝尚不成熟，沒有大規模量產和使用，且使用成本較高，因此影響和制約船舶修造工藝的污染物減排效果。

2.3 節能減排政策區域性差異明顯

船舶企業由于具有獨特的船舶下水工藝，因此大多建立在內河沿岸和沿海的位置。國內船舶企業主要位于內河及沿海經濟發達且活躍的區域：珠江水系的廣東省，長江水系的湖北省、江蘇省及上海市，沿海地區的遼寧省、天津市、山東省、浙江省及福建省。國務院發布《防治船舶污染海洋環境管理條例》(2017年修正版)，生態環境部(原環境保護部)、國家質量監督檢驗檢疫總局發布《工業企業廠界環境噪聲排放標準》，交通運輸部發布《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》。船舶工業發達的省市針對船舶企業污染物排放實際情況，在執行國家相關污染物排放法規的同時，相繼發布區域性的支持政策和地方性環保法規。

上海市在鞏固其船舶工業中心的同時，提出建立和完善國際海上航運及港口物流中心的目標，對船舶工業的未來發展制訂新的政策和規劃，對節能環保提出新的更高要求。上海市發布《上海市推進國際航運中心建設條例》《上海國際航運中心建設三年行動計劃(2018—2020)》和《上海市大氣污染防治條例》(2018年修正版)、《上海市環境保護條例》(2018年修正版)。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，上海市生態環境局(原上海市環境保護局)和上海市質量技術監督局發布《船舶工業大氣污染物排放標準》[4]，對船舶修造與海工裝備企業的大氣污染物排放限值、監測、生產工藝、管理要求及標準實施與監督作出明確規定；考慮涂料類型和涂裝位置的不同，對即用狀態下的船用涂料質量濃度標準、船舶修造過程中的預處理及室內涂裝的VOCs排放標準(排放限值和排放速度)作出相應規定。

湖北省發布《湖北省大氣污染防治條例》(2018年修訂版)和《湖北省土壤污染防治條例》。浙江省、福建省及廣東省陸續發布區域性環保條例，依法對船舶企業的污染物排放超標、環境污染事件進行調查和行政處罰。

江蘇省南通市發布《南通市“十三五”沿海前沿區域發展規劃》及《南通市政府關于加快國家船舶出口基地建設的若干意見》，提出建立并打造世界級的船舶海工修造基地，匯集并重點扶持一些知名船舶海工企業。

浙江省舟山市獲批舟山群島新區，新區內海岸線長、海島多、海洋資源豐富，地處我國海岸線中點及長三角地區，發展高新船舶與深海開發裝備、港口物流與港航服務、海洋經濟具備優越條件。舟山市發布《舟山市人民政府關于進一步促進船舶工業健康發展的若干意見》和《舟山市港口船舶污染物管理條例》。

2.4 節能減排重點各異

2.4.1 主力船型不同

我國作為世界造船大國，船舶修造類型主要集中在散貨船、油船及集裝箱船，這些船舶的技術附加值小，船舶企業利潤普遍較低。為提升修造水平，實現造船強國夢，我國船舶企業開始研發和建造高技術船舶。上海滬東中華造船(集團)有限公司及江南造船(集團)有限責任公司近年來建造國產液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)船，實現低溫及腐蝕性材料的高精度加工建造。上海外高橋造船有限公司及廣州廣船國際股份有限公司分別建造大型豪華游船、豪華客滾船等強調體驗感的高技術遠洋類客船，著重解決大型船體結構輕量化和旅客舒適度等問題。

2.4.2 船舶所有人要求不同

即使是相同的船型，由于船舶航行區域及運營航道不同，不同的船舶所有人對船舶企業提出不同的修造和環保要求，因此對修造工藝能耗及污染物排放產生不同的影響。船舶所有人的要求一般通過船級社的規范和質檢加以實現和保障。

國際海事組織(IMO)基于環保，對船舶修造及污染物排放提出較多要求。IMO的海上環境保護委員會(MEPC)決定自2020年1月1日起，在全球范圍內實施船用燃油硫的質量分數不超過0.50%的規定，并發布相關的《國際防止船舶造成污染公約》修正案、導則和通函等[5]；除對碳氧化物、氮氧化物排放提出要求外，船舶PM、碳氫等有害物排放控制陸續提上議程，排放控制區域不斷增加。在防治海洋環境污染方面，IMO發布《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的國際措施，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。在國內，交通運輸部發布的《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》規定嚴格的燃油控制標準，要求所有新造船舶選用的發動機須完全滿足污染物排放標準。排放控制區包括內河控制區和沿海控制區，并特別劃定海南水域范圍。上述旨在減少航運污染物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能耗及污染物排放提出更高要求。

2.4.3 修造環節和場地不同

船舶建造環節依據順序包括：鋼材預處理(矯直、除銹及噴底漆)，板材邊緣加工(切割及焊接坡口制備)，板材-型材彎曲成形，裝配-焊接(定位焊、預熱-層間溫度控制-焊后熱處理、工裝夾具及翻身吊裝等)，設備舾裝及涂裝(車間及外場)等[6-7]。

船舶維修環節主要集中在船體清潔(外表面浮游生物除污，防護涂裝和含油廢水、廢油、有機廢氣及固廢粉塵等的處理)、破損部位修復(切割及焊接處理)及舾裝件更換調試等。在船舶維修過程中，需要在外場碼頭對船體外板首先進行除銹清理，大多采用無組織的露天噴砂，產生大量PM，對空氣和環境產生嚴重污染。涂裝環節產生大量VOCs，不易集中收集處理，形成無組織排放，對大氣環境的污染和破壞比較嚴重。

2.4.4 具體修造工藝不同

船舶企業在開展各式船舶修造業務的同時，積極拓展海工裝備結構(浮式平臺、風電平臺、海上漁場等)及非船鋼結構(大型橋梁、海底沉管隧道、建筑鋼結構等)的修造業務。由于材料、加工方法及使用環境工況的不同，鋼結構在修造過程中的能耗及污染物排放相差較大。船舶及海洋開發裝備服役的海水環境對鋼結構外表面產生嚴重的化學腐蝕及浮游生物吸附，影響運營成本和使用壽命；在其修造過程中需要在涂裝環節進行必要的防腐-防污保護處理，不可避免地產生大量VOCs。

3 船舶企業節能環保體系的構建要點

3.1 以計算機技術為基礎

在加工質量不能滿足修造要求的情況下，船舶企業需要對加工對象進行返工處理及二次加工；加工效率低下，不能高效完成單個對象加工；不同加工工藝具有順序要求，難以在時間上統籌加工設備、加工工藝、加工任務等的協調和銜接。基于計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)、計算機輔助后勤支持(Computer Aided Logistics Support， CALS)系統等計算機技術的應用與發展，可有效提升加工效率，降低企業能耗。

使用激光號料及數控切割機床，不僅可有效避免傳統電印號料的能耗及污染，而且可將號料工藝與板材切割工藝合二為一，提高船舶修造效率。規則板材在套料后經過火焰或等離子切割，得到設計所需要的板材零件，通過優化算法(遺傳算法、模擬退火算法等)可優化切割行走路徑，實現板材的高效切割，節約能耗及燃燒氣體量。

在板材冷彎壓制及卷制過程中，由于存在回彈現象，整個彎曲過程采用逐次逼近工藝。通過研究不同材料、厚度的回彈現象，以數據積累或數值計算的方法獲得精確的回彈量，可有效減少冷彎的過程消耗，提高彎曲成形效率。水火彎板的加熱路徑及加熱強度直接影響最終的板材彎曲精度和能耗，基于彎曲成形工藝力學和先進計算方法，優化加熱工藝和路徑，是保障彎曲精度、實現節能的有效措施。

焊接過程的變形是制約船舶修造精度的主要問題。反變形法及工裝夾具的施加，在控制焊接變形的同時，延長修造時間周期且增加能耗。使用新的焊接工藝，在保證焊接質量的條件下，采用更加優化的坡口設計，不僅可減少焊材和能耗，而且可達到減排環保的目的。基于計算焊接力學的無裕量造船模式，可精準利用建造材料，確保建造精度，不僅可避免后期邊緣切割及打磨加工等工序，而且減少型材、邊角料等固體廢棄物的排放，在降低能耗的同時，有助于保護生態環境。

3.2 應用先進修造工藝

船舶修造過程中的加工質量問題主要是加工精度及涂裝的厚度和均勻度。板材切割的尺寸精度、板材彎曲成形的面外變形及焊接變形的矯正均影響船舶修造精度及加工能耗和工時。板材邊緣加工可采用高壓水射流切割工藝，在減少PM產生的同時，可有效降低熱變形，確保切割精度。當前，船舶企業常采用手工電弧焊、CO2氣體保護焊和埋弧焊等焊接方法。埋弧焊的實施過程需要焊劑小車及行走軌道的配合，限制其不能大范圍應用；然而，從能耗及焊接熱輸入的角度分析，埋弧焊的線能量更大，可實現大厚板對接焊的熱輸入高效焊接。埋弧焊由于焊劑的保護作用，熱效率更高(達90%以上)，可更好地將電能轉化為熱能，實現焊絲的熔化焊接。CO2氣體保護焊的熱效率為50%～70%，部分電能轉化為弧光和熱能，散失至空氣中。針對特殊材料和結構，可采用激光焊、電子束焊、攪拌摩擦焊和爆炸焊等先進焊接方法，解決特殊工程問題，進而滿足實際修造的具體需求。

底漆噴涂和涂裝工藝中的設備額定功率大、能耗高，若提高涂裝質量、減少補漆環節，則可有效降低能耗及污染物排放。為提高涂料附著率，確保涂裝的厚度和均勻度，實現高質量的涂裝工藝，可使用基于先進噴涂工藝的混氣噴涂設備。

在預處理除銹及切割環節產生的PM，作為重要的大氣污染物，需要在未來船舶修造中予以解決。采用更加先進的金屬及復合材料(不銹鋼、碳纖維材料等)，可從源頭上有效避免PM的產生，保護大氣環境。

在焊接過程中產生的煙塵也是大氣污染的主要來源。一方面，通過激光焊等熱量更為集中的先進焊接方法，在確保焊接質量的同時，可減少污染物排放；另一方面，使用熱輸入且熱效率更高的埋弧焊、焊劑銅襯墊(Flux Copper Backing，FCB)法多絲單面埋弧自動焊等焊接工藝，可減少焊接煙塵排放。普通的CO2氣體保護焊可通過改良的藥芯焊絲，可減少焊接煙塵排放。

預處理底漆保護和涂裝環節產生大量VOCs，對VOCs的凈化處理過程如下：(1)經2～3級過濾，通過蜂窩活性炭吸附箱體對質量濃度低的VOCs有機廢氣進行濃縮處理；(2)加熱器加熱蜂窩狀活性炭至80°以上，使VOCs脫離活性炭；(3)濃縮的VOCs進入催化燃燒室，在貴金屬催化劑的作用下，在較低的起燃溫度下發生燃燒化學反應，產生無污染的CO2和水，燃燒后的氣體經檢測可排放至大氣中。另外，在預處理及涂裝環節，在使用吸附、催化燃燒、生物技術等末端治理方法的同時，可選用無VOCs的環保型涂料(水性可剝離涂料)，從源頭上減少VOCs排放。

針對油漆桶堆場的VOCs排放超標問題，可加裝VOCs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。

4 結 語

節能減排是船舶工業及船舶企業發展的必由之路，為實現節能減排目標，需要社會、經濟、科技、環保等多方位的綜合發展。在大力發展船舶工業、振興經濟的同時，不得不面臨能耗及污染物排放等問題。對于全球性的船舶修造、航運及港口企業，在促進全球經濟發展、加強國際貿易交流的同時，需要防范全球環境惡化及地方生態系統(物種)破壞等問題。