榮成市船舶制造行業(yè)VOCs 減排分析

初吉忠

(榮成市生態(tài)環(huán)境事務服務中心，山東 榮成 264300)

1 引言

“十三五”期間，我國環(huán)境空氣質(zhì)量有了明顯改善，細顆粒物(PM2.5)濃度大幅下降，PM2.5防控取得明顯進展，但隨著城市化的快速推進和大氣氧化性的增強，高濃度O3污染問題日漸突出，全國以O3為首要污染物的超標天數(shù)占總超標天數(shù)的比例大幅度增加，大氣污染格局正發(fā)生深刻變化，以PM2.5與O3為主的大氣復合污染是“十四五”大氣污染防治的重要任務[1～4]。O3化學生成機制復雜，與前體物揮發(fā)性有機物(VOCs)和NOx的關系呈非線性。VOCs作為大氣O3重要前體物，經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域開展了部分前體物在O3生成中的影響研究，為城市及區(qū)域性O3防控提供思路[5]。如Zhang等[6]和劉奇琛等[7]對北京的大氣揮發(fā)性有機物進行了研究，發(fā)現(xiàn)將北京地區(qū)O3作為空氣質(zhì)量目標時，需要加快活性VOCs的減少速度，同時要與NOx協(xié)同防控。林燕芬等[8]的研究基于VOCs手工監(jiān)測數(shù)據(jù)，探討了上海典型臭氧污染過程特征，并對污染過程的成因進行了分析。除了上述特大城市以外，在山東省內(nèi)，在對全省臭氧污染特征及驅動因素區(qū)域差異進行研究的基礎上[9]，學者還對省內(nèi)的許多城市，如濟南[10]、青島[11]、淄博[12,13]、煙臺[14,15]、威海[16]、日照[17]等大中城市區(qū)域內(nèi)的VOCs的產(chǎn)生與排放及對O3的影響進行了研究。但迄今為止對小城市區(qū)域內(nèi)相關研究較少，尤其是不同行業(yè)的人為來源VOCs排放與控制及對O3的影響的研究較少[18～20]。本文以縣級市榮成為例，研究較小區(qū)域內(nèi)VOCs的產(chǎn)生與減排情況。

榮成市地處山東半島最東端，三面環(huán)海，海岸線長487 km，沿海分布10個海灣、115個大小島嶼，擁有中國北方最大的漁港——石島漁港。臨近煙威、石島、連青石漁場，是多種魚蝦洄游的必經(jīng)之路，水產(chǎn)資源十分豐富，已發(fā)現(xiàn)的淺海和灘涂生物394種，主要經(jīng)濟生物近百種[21,22]。榮成充分發(fā)揮得天獨厚的自然優(yōu)勢，船舶制造工業(yè)較為發(fā)達，是北方重要的船舶制造修造基地，而船舶制造修造工藝中的涂裝過程中使用的涂料、稀釋劑、固化劑等原輔材料是工業(yè)VOCs排放的重要來源[23～25]。

榮成市大氣質(zhì)量一直處于山東省各城市前茅，各項指標年均值達到了國家大氣質(zhì)量二級標準以上。近3年少數(shù)環(huán)境空氣不達標的天氣，主要原因為PM2.5和O3指標超標。其中，PM2.5濃度已呈現(xiàn)下降趨勢，但O3污染逐漸凸顯，以O3為首要污染物的超標天數(shù)占總超標天數(shù)的比例呈增加趨勢，O3超標已成為制約榮成市空氣質(zhì)量提升的最大短板，加強對O3污染的重要前體物VOCs的防治是改善大氣質(zhì)量的重要措施。因此，為改善和提高榮成市的空氣質(zhì)量，本文分析了榮成市船舶制造行業(yè)VOCs排放及控制現(xiàn)狀，查找該行業(yè)VOCs減排中存在的問題，結合目前該行業(yè)國內(nèi)外VOCs減排方法和措施[26,27]，提出了本地船舶制造業(yè)VOCs削減重點及對策。

2 榮成市環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀及排放VOCs行業(yè)分析

2.1 榮成市環(huán)境空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

榮成市近3年環(huán)境空氣狀況見表1。

表1 榮成市環(huán)境空氣污染物數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表1可以看出，榮成市環(huán)境空氣中各項指標年均值均低于《環(huán)境空氣質(zhì)量》(GB3095-2021)二級限值，市域的大氣質(zhì)量達到了國家大氣質(zhì)量二級標準以上，優(yōu)良天數(shù)分別為：2019年339 d，2020年359 d，2021年356 d。同時還可以看出，在國家規(guī)定的6種污染物中，O3年濃度在2019～2021年最大8 h平均值第90%位置分別是141，126，124 μg/m3，分別占二級評價標準(160 μg/m3)的88.1%，78.8%和77.5%，而其他5種污染物濃度占二級評價標準的百分比均低于O3的占比，因此，有必要對O3指標作進一步分析。表2是榮成市2019～2021年環(huán)境空氣以某首要污染物的超標天數(shù)統(tǒng)計。

表2 榮成市環(huán)境空氣以某首要污染物的超標天數(shù)統(tǒng)計 d

從表2可以看出，榮成市2019～2021年以國家規(guī)定的6種污染物為首要污染物超標的天數(shù)。以PM2.5指標為首要超標天數(shù)的分別是13，4，0 d，已呈現(xiàn)明顯下降的趨勢；以PM10指標為首要超標天數(shù)的分別是2，0，5 d，2021年出現(xiàn)異常；以O3指標為首要污染物的超標天數(shù)的分別是7，2，4 d，結合表1所示O3年均值：2019年為141 μg/m3，2020年為126 μg/m3，2021年為124 μg/m3，O3濃度下降趨勢甚微，O3超標已成為制約榮成市空氣質(zhì)量提升的制約因素，必須從源頭和治理上分析解決。O3削減的關鍵是控制人為源VOCs的排放，VOCs來源廣泛，涉及生產(chǎn)、生活等眾多途徑。為此，VOCs污染控制是今后環(huán)境空氣質(zhì)量改善過程中的一項重要工作。

2.2 排放VOCs行業(yè)分析

根據(jù)調(diào)查分析，榮成市的VOCs排放主要源于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放、機動車尾氣排放和服務行業(yè)如加油站、飲食服務行業(yè)排放及日常生活等。其中，市域內(nèi)的100余家加油站全部按照國家規(guī)定建設了油氣回收裝置，飲食服務行業(yè)也安裝了油煙處理回收裝置，VOCs排放量不大，VOCs排放主要是工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的，包括化工、橡膠、機械制造、船舶、造紙等企業(yè)。榮成市各行業(yè)有機廢氣排放分布情況見表3。

表3 榮成市有機廢氣排放行業(yè)分布

從表3可以看出，榮成市化工和橡膠行業(yè)年排放量約在400 t左右，主要原因是這兩個行業(yè)企業(yè)數(shù)量較少，產(chǎn)生的VOCs均經(jīng)過環(huán)保設施處理后達標排放。使用油漆的機械制造企業(yè)全部建設廢氣處理設施，同樣VOCs排放量不大，約180 t。造紙和農(nóng)業(yè)VOCs的排放量分別是360 t，220 t。通過調(diào)研、材料分析了解到榮成市的VOCs主要來源于船舶行業(yè)。榮成市的船舶企業(yè)較多，在船舶制造、維修過程中使用大量的有機涂料，涂料釋放出大量的VOCs。船舶行業(yè)排放的VOCs占全市的63.3%左右。因此，可認為榮成市O3超標的主要原因是：制造修造船企業(yè)較多，油漆使用量較大，釋放出大量的VOCs。

3 榮成市船舶行業(yè)VOCs減排分析

3.1 船舶企業(yè)類型和產(chǎn)能分析

20世紀90年代末，榮成市將船舶及零部件制造確定為榮成市的支柱產(chǎn)業(yè)，船舶行業(yè)得到迅速發(fā)展，高峰期大小制造修造船企47家。企業(yè)類型有：幾家大型造船廠進行貨船的制造，幾家大型修船廠專門進行貨輪的維修，多數(shù)船廠進行漁船的制造和維修，還有幾家只能進行漁船的維修。隨著海洋資源的枯竭及航運業(yè)的不景氣，逐步淘汰了部分船舶企業(yè)，到目前，榮成仍有大小28家修造船企業(yè)，其中規(guī)模較大的有8家(造船4家，修船4家)，可以建造或維修貨船或特殊船舶，其他船廠以制造各類千噸以下的漁船或以維修各類漁船為主。榮成市造船能力在70萬載重噸，修船能力在100萬載重噸。多年來，由于世界經(jīng)濟不景氣和海上資源枯竭，實際造船業(yè)務維持在40萬t左右，修船業(yè)務維持在50萬t左右。

3.2 生產(chǎn)工藝VOCs產(chǎn)生與排放分析

3.2.1 船舶油漆成分分析

榮成市船舶制造行業(yè)VOCs排放過程主要為涂裝工序，所需要的涂料有環(huán)氧漆、防污漆、底漆等。油漆中VOCs主要包括20%～30%二甲苯，2.5%～5%1-甲氧基-2-丙醇，2.5%～5%乙苯，VOCs平均含量約35%，環(huán)氧樹脂等其他固形物平均含量可達到65%，具體見表4。

表4 船舶油漆、稀釋劑組成成分

通過資料分析和實地調(diào)查了解，榮成市修造船企業(yè)的油漆用量較大，僅某一家造船企業(yè)年需2500 t左右。在經(jīng)濟形勢好的情況下榮成市修造船行業(yè)年需要油漆近萬t。

3.2.2 船舶制造生產(chǎn)工序VOCs排放及治理設施現(xiàn)狀分析

船舶修造行業(yè)產(chǎn)生廢氣環(huán)節(jié)見表5，VOCs排放過程主要為涂裝工序[1,26,27]。船舶涂裝工序主要涉及鋼板等原材料預處理、船體局部底漆噴涂、分段涂裝、組裝后補涂、維修時除銹補涂等環(huán)節(jié)。

表5 船舶制造產(chǎn)生廢氣環(huán)節(jié)一覽

市域內(nèi)造船企業(yè)和大型修船企業(yè)均建設了VOCs治理設施，大部分使用活性炭吸附催化燃燒法。這些船舶制造企業(yè)一般先在密閉車間內(nèi)對船體進行分段涂裝，然后轉移到船塢進行拼裝，拼裝后再對拼接部位進行涂裝。個別企業(yè)在拼接部位進行涂裝過程中，會采用移動式集氣罩收集涂裝廢氣后進行處理，但大部分企業(yè)直接進行敞開式涂裝。由于修船企業(yè)的特殊性，需要維修的船舶自身體積大，難以搭建密閉設施對廢氣進行全密閉收集，只能?？坑诖a頭、船塢等場所進行露天涂裝作業(yè)，個別企業(yè)即使進行廢氣收集，因設施技術含量較低，也達不到真正的處理效果。

3.2.3 市域內(nèi)船舶制造行業(yè)VOCs排放分析

為估算市域內(nèi)設有吸附脫附—催化燃燒設備處理廢氣的船舶制造企業(yè)VOCs年產(chǎn)生量、削減量和排放量，現(xiàn)以某造船有限公司為例分析估算其VOCs產(chǎn)生量、削減量和排放量。

該公司油漆用量2480 t/a，稀釋劑年用量134 t/a。按油漆中VOCs含量35%、稀釋劑中100%計算，VOCs產(chǎn)生量：2480×35%+134×100%=1002 t/a。

噴漆均在封閉的噴漆房內(nèi)進行，采用活性炭+催化燃燒治理設施進行處理后有組織排放。根據(jù)噴漆房設計廠家提供參數(shù)，噴涂時噴漆房封閉，廢氣收集效率可達到90%以上，處理效率85%，經(jīng)計算，VOCs削減量：1002×90%×85%=766.5 t/a；排放量：1002-766.5=235.5 t/a。

另外，在2480 t/a油漆用量中，環(huán)氧樹脂等其他固形物平均含量可達到65%，固形物中4%以漆霧形式散發(fā)，這樣，漆霧產(chǎn)生量：2480×65%×4%=64.5 t/a。

因此，該企業(yè)VOCs的總排放量為235.5+64.5=300 t/a。

通過上述分析得出：采用吸附脫附—催化燃燒設備處理的企業(yè)，1t油漆VOCs排放量(拼接部位涂裝氣體收集不充分)大于：300/2480=0.12 t。

同樣，假設該企業(yè)沒有采用吸附脫附—催化燃燒設備，廢氣直接排放，也可以估算出沒有廢氣治理設施的企業(yè)，使用1t油漆VOCs排放量：(1002+64.5)/2480=0.43 t。

榮成市造船企業(yè)油漆用量在6000 t/a左右，修船企業(yè)油漆用量在4000 t/a左右。其中，造船各企業(yè)均配置了VOCs處理設施，故造船行業(yè)VOCs排放量為： 6000×0.12=720 t/a左右。

修船行業(yè)中，大型修船企業(yè)建有廢氣收集及處理設施，油漆用量在1400 t/a左右，其它中小型修船企業(yè)大都沒有配置廢氣收集及處理設施，油漆用量在2600 t/a左右，這樣，修船行業(yè)的VOCs的排放量為：1400×0.12+2600×0.43=1286 t/a左右。

因此，得出榮成市船舶行業(yè)排放VOCs大約為：720+1286=2006 t/a，即2000 t/a左右；削減量大約(0.43-0.12)×(4000+1400)=1674 t/a。

4 結論與討論

4.1 結論

榮成市船舶企業(yè)數(shù)量較多，在經(jīng)濟形勢好的情況下，年油漆使用量上萬t。船舶修造行業(yè)VOCs排放過程主要為涂裝工序。市域內(nèi)造船企業(yè)和大型修船企業(yè)均建設了VOCs治理設施，年VOCs削減量近1700 t；但由于修船企業(yè)的特殊性，大部分中小修船企業(yè)尚未安裝VOCs治理設施，或者即使配備了相關設施，治理效果也較差。榮成市船舶行業(yè)年排放的VOCs大約2000 t，居各行業(yè)之首，占全市的63.3%左右，是榮成市O3超標的主要人為原因。為改善榮成市的大氣質(zhì)量，應有針對性分析船舶制造企業(yè)VOCs的治理和存在問題，并提出管控措施，通過精準的治理措施，能大幅度地削減榮成市VOCs的排放量，從而降低大氣中O3的含量，使得榮成市的大氣環(huán)境質(zhì)量得到進一步提高。

4.2 討論

4.2.1 船舶行業(yè) VOCs防治存在的問題

4.2.1.1 結構布局不合理

榮成市小型船舶企業(yè)較多。由于小型船舶企業(yè)經(jīng)濟實力薄弱，基本采用落后的生產(chǎn)工藝，大多數(shù)進行露天噴漆作業(yè)，缺乏VOCs相應的收集和處理方法，導致產(chǎn)生大量的VOCs未經(jīng)處理直接排放至大氣中。

4.2.1.2 油漆材料落后

企業(yè)由于資金緊張無法進行技術創(chuàng)新，特別市場競爭激烈，包括船企股東在內(nèi)都想降低生產(chǎn)成本，致使船舶企業(yè)所采用的油漆材料大多為成本較低的老型涂料，沒有采用成本較高但VOCs釋放量較小的環(huán)保型水溶性油漆。

4.2.1.3 有效治理措施覆蓋率低

治理設施利用不充分。較大的造船企業(yè)，建有密閉噴漆車間，僅將分段船體納入到了室內(nèi)作業(yè)范圍中，較小的零部件依然露天噴涂，VOCs收集、處理設施未得到充分應用。

分段涂裝間也存在一些不足。如涂裝間在作業(yè)時未完全密閉、開口面未形成微負壓、風量不匹配等，影響VOCs收集效果，導致涂裝間的收集效率不超過85%，VOCs削減率降低。

4.2.1.4 治理裝備落后

個別企業(yè)即使進行廢氣收集，設施技術含量較低，達不到真正的處理效果。有的使用活性炭移動式吸氣罩，設備擺放位置不正確、活性炭不更換，VOCs削減效率不超過30%。移動式吸氣處理裝置由于管理不到位，VOCs削減效率不超過20%。

修船企業(yè)多數(shù)無廢氣治理設施；造船企業(yè)的船段拼裝過程中基本沒有采取任何VOCs治理措施，直接露天噴涂，VOCs減排量為零。

4.2.2 VOCs減排措施和建議

4.2.2.1 提升行業(yè)整體制造水平

淘汰落后產(chǎn)能促進企業(yè)上檔升級來降低VOCs的排放。一方面，促進船舶企業(yè)在限定期限內(nèi)完成升級改造；另一方面，對于不能滿足生產(chǎn)標準的小型企業(yè)予以關閉，從源頭上減少VOCs的排放量。

將企業(yè)分為三類：提升類、整治類和淘汰類。對于達到標準的大型企業(yè)可以給予相關優(yōu)惠政策，鼓勵減少VOCs的排放量；對于未達到標準，通過整治使其實現(xiàn)升級上檔，減少VOCs的排放量；對達不到整治要求的企業(yè)可以淘汰，從源頭上削減VOCs的排放量。

4.2.2.2 使用新型涂料

船舶企業(yè)應樹立全過程治理的理念，推廣使用水性涂料、高固形物涂料等環(huán)境友好型涂料替代溶劑型涂料，從源頭減少VOCs產(chǎn)生量。同時，鼓勵低VOCs涂料的研發(fā)和生產(chǎn)，推廣低VOCs涂料的使用。

4.2.2.3 提高VOCs收集率

全面加強無組織排放VOCs的收集。船舶企業(yè)將能納入密閉噴漆房進行涂裝作業(yè)的工件盡量納入到噴漆房中，按照“應收盡收”的原則提高VOCs收集率。同時，對于原輔材料的存儲、使用等也應該密閉保存，避免揮發(fā)，減少VOCs的排放量。

4.2.2.4 建設VOCs治理設施

船舶企業(yè)必須建設技術含量高的VOCs治理設施，同時全面加強VOCs處理設施的運行管理，確保達標排放。企業(yè)要建立VOCs處理設施運行臺賬，特別是活性炭更換臺賬并嚴格執(zhí)行臺賬管理。

船舶企業(yè)應積極采用VOCs防治新技術，將原有設備的轉型升級提上日程，制定切實可行改造方案，分階段分步驟實施。

4.2.2.5 加大監(jiān)管力度

榮成市VOCs的減排是有空間的，在企業(yè)采取多種治理措施的同時，相關職能部門要加強監(jiān)管。一是解決船舶行業(yè)存在的環(huán)境意識不強，環(huán)保措施落實不到位的問題；二是環(huán)保部門應該進行常態(tài)化執(zhí)法、定期巡查，防止企業(yè)發(fā)生活性炭不按期更換、設施運行不達標等問題的發(fā)生；三是嚴格執(zhí)行揮發(fā)性有機物無組織排放控制標準及相關涂料控制限值；四是建立船舶協(xié)會，邀請船舶企業(yè)加入，形成一個自查、互查的船舶集體。