船舶绿色涂装装备与颗粒物排放治理技术

刘洪伟，谢俊鹏，董 浩，顾 胜，杨 帅，李肖艳

(1.上海船舶工艺研究所，上海200032； 2.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州511462)

0 引 言

《中国制造2025》明确提出绿色制造方针，全面推行清洁生产，构建绿色制造体系，船舶绿色制造是未来的重要发展方向之一。我国船舶工业造修船生产材料浪费率高，环境污染严重，职业病危害问题突出。特别是船舶涂装产生的粉尘、挥发性有机污染物(Volatile Organic Compound，VOC)及其他颗粒物排放总量大，环境污染严重，涂装已成为船舶工业的重要污染源之一。船舶涂装作为船舶制造的重要环节，涂装生产包括涂装前除锈和后期喷漆作业，涂装环节产生的颗粒物主要包括粉尘、漆雾和废水悬浮颗粒物。

1 涂装颗粒物来源

船舶行业涂装颗粒物排放主要有两大来源：一是表面除锈和除漆产生的颗粒物，包括高压水表面清理产生的废水中的铁锈、漆渣等悬浮污染物；二是油漆喷涂生产时产生的漆雾和VOC。

1.1 表面清理颗粒物

在船舶建造生产过程中，抛丸、分段二次除锈和区域涂装除锈清理易产生大量粉尘；在修船过程中，船体表面喷砂清理会产生大量粉尘、废铜矿砂等污染物；超高压水表面清理会产生大量废水、漆渣和海生物等污染物。资料显示，喷砂除锈粒径≤2 μm的粉尘占75.5%，粒径为2～52 μm的粉尘占18.9%[1]，上述粉尘颗粒是PM2.5、PM10重要组成物之一。表面清理产生的颗粒物排放，不但污染空气，也污染水源。此外，颗粒物来源还包括船体涂层破损处，打磨除锈、除漆时产生的粉尘等。

1.2 油漆喷涂颗粒物

在船舶分段等构件涂装生产过程中，部分雾化油漆并没有成膜，而是以漆雾的形式飘散在环境中。此外，船舶喷涂伴随着VOC排放，喷涂产生的VOC是灰霾和光化学烟雾的前体物，对大气臭氧形成和PM2.5具有重要影响。由于修船厂外板喷涂在开放环境下进行，船坞、码头等地油漆喷涂受现场风速、风向等因素影响较大，因此漆雾和VOC排放危害更严重。

2 污染排放影响因素

防腐涂装贯穿于造船全过程，涂装生产地点分布广、范围大，污染物排放因所处地点、采用的工艺及装备不同而有较大的差异。颗粒物污染排放的影响因素较大，主要包括以下几个方面。

2.1 施工区域影响

根据涂装生产的地点，船舶涂装分为车间内涂装和外场涂装。国内船厂基本建立了涂装车间，涂装车间内建立完善的污染物通风、净化设施，在车间内的除锈与喷漆生产基本实现污染物达标排放。但是，船台、船坞和码头等处外场涂装生产属于无组织排放，涂装生产还存在颗粒物污染严重的问题。

2.2 涂装工艺影响

与世界先进船舶企业相比，国内分段二次除锈100%喷砂工艺比扫砂工艺的粉尘排放量高2～3倍。与高压无气喷漆工艺相比，船舶构件滚涂、刷涂工艺产生漆雾排放较少。高压水表面清理技术可有效减少除锈、除漆过程中的粉尘排放，但废水中悬浮颗粒物浓度高达700～3 000 mg/L。高固体份双组分油漆喷涂工艺可有效减少油漆VOC的排放。

2.3 工艺装备影响

绿色表面清理工艺设备可显著减少颗粒物排放。封闭式喷吸砂工艺装备将喷砂过程限制在一个局部封闭空间内，可实现钢砂循环利用、粉尘即时回收净化，整个清理过程颗粒物排放为零。激光表面清理装备利用激光高温热效应、等离子、超声波冲击、热膨胀撕裂效应去除钢板表面的铁锈、漆膜，整个过程只产生轻微的烟雾，颗粒物排放明显减少。大包装双组分油漆喷涂装备采用大包装供料，油漆中溶剂挥发少，喷涂过程无溶剂添加，VOC排放显著降低。

3 涂装颗粒物治理技术

涂装作业产生的颗粒物种类多、分布地点广、排放量大，颗粒物的污染排放治理是一个绿色涂装工艺、装备、工装升级改进有机结合的综合治理过程，同时结合船厂涂装生产颗粒物污染排放治理管控，以实现船舶建造企业的涂装颗粒物污染排放治理。

3.1 粉尘治理技术

3.1.1 逐步淘汰高污染表面清理工艺

外场无组织喷砂除锈工艺产生的粉尘直接排放至周围大气环境中，粉尘污染严重。随着国家环境保护力度的不断加强，全国多个城市环保部门对外场喷砂除锈工艺进行限制。因此，必须逐步淘汰开放式、落后的外场喷砂除锈工艺，转向采用环保型表面除锈工艺。

3.1.2 绿色表面清理工艺装备应用

国家对修船厂高污染除锈工艺限制应用政策的实施，迫使国内修造行业寻找替代的绿色工艺解决方案，船厂对绿色表面清理工艺装备的需求不断提升。自循环移动抛丸工艺装备的抛丸清理过程被限制在一个局部封闭空间内进行，可有效减少粉尘排放。研究团队应用计算流体力学方法对抛丸物理过程进行仿真计算，优化丸料抛射速度和丸料运行路径，实现空气流量、真空度和阻力等参数的最佳匹配。除尘器滤袋材料采用聚四氟乙烯覆膜材料，其空隙直径为0.5 μm，对0.1 μm的粉尘过滤效率可达99.9%。将自循环移动抛丸设备用于修船厂甲板除锈和除漆清理，设备处理效率≥80 m2/h，清洁度达Sa2 1/2。船舶甲板自循环移动抛丸设备如图1所示。根据环境空气总悬浮物检测标准，对设备粉尘排放值进行检测[2]，结果如表1所示。

图1 自循环移动抛丸设备

表1 自循环移动抛丸设备粉尘排放值 mg/m3

从表1可知，该设备在作业时与停止后环境粉尘浓度基本一致，说明自循环移动抛丸设备可有效减少粉尘排放，适合特种船舶甲板绿色表面清理。

喷砂清理利用压缩空气将钢砂高速喷出，带有棱角的钢砂撞击、冲刷钢板表面，得到符合要求的表面清洁度和粗糙度，实现表面清理。由于普通喷砂工艺属于开放式喷砂，钢砂和粉尘无规则地向周围环境排放，不仅造成环境污染，而且产生人身伤害。

将喷砂过程限制在封闭空间内进行，可有效避免钢砂反弹伤害并减少粉尘排放。研究团队对喷砂物理过程进行仿真计算，对喷嘴、设备结构与参数进行优化设计。封闭式喷吸砂设备如图2所示。设备采用大宽度喷砂机结构设计，清洁度达Sa2 1/2级，处理效率≥7 m2/h，采用多级净化技术对喷砂产生的粉尘进行净化后排放，满足分段合龙缝等焊缝附近涂层破损部位的绿色喷砂清理要求。

图2 封闭式喷吸砂设备

依据环境空气总悬浮物检测标准，对封闭式喷吸砂设备粉尘排放值进行检测，检测结果如表2所示。由表2可知，设备施工时的粉尘排放浓度较小，远小于标准规定的数值1 mg/m3。

表2 封闭式喷吸砂设备粉尘排放值 mg/m3

超高压水表面清理装置采用旋转式、多喷嘴、吸盘式设计，清理装置以磁吸附爬壁机器人为载体。超高压清理装置工作产生的漆渣和粉尘被水雾捕获，经过废水回收净化系统处理后排放。超高压水表面清理装置如图3所示。将超高压水表面清理装置用于舷侧钢板清理，清洁度达Sa2 1/2级，处理效率≥28.3 m2/h。依据相关标准对环境粉尘排放和污水悬浮物[3]进行检测，检测结果如表3和表4所示。

图3 超高压水表面清理装置

表3 超高压水表面清理装置粉尘排放值 mg/m3

表4 超高压水表面清理装置污水悬浮物检测值 mg/L

由表3和表4可知，超高压水爬壁机器人表面装置可清理有效减少粉尘污染，清理作业产生的污水经沉淀和净化处理，悬浮物指标可满足标准要求。然而，废水排放与回收设备效率有关，废水回收效率差不仅导致废水沿船体流入船坞，且会导致爬壁机器人打滑以及钢板表面存在漆渣残留，影响表面清理质量。

3.1.3 推进除锈工艺改进

国内船厂船舶分段必须进行100%喷砂处理，并达Sa2 1/2级，因此国内船厂二次除锈污染颗粒物排放量远高于国外船厂。提高预处理质量、增加耐高温车间底漆应用比例、减少漆膜破损、及时进行涂层破损部位的跟踪补涂、保持车间底漆完好率，采用扫砂工艺处理后65%的分段表面可达Sa1～Sa2[4]级，粉尘颗粒物的排放可有效减少。现阶段提高修船高压水除锈工艺应用比例，可有效降低修船表面清理的粉尘排放量，同时配合应用回收净化技术，减少废水排放。

3.1.4 建立外场一体化封闭措施

船台、船坞、码头等处外场喷砂产生的颗粒物未经处理直接排放至大气中，属于污染物无组织排放，局部颗粒物浓度易超过标准规定的数值。外场粉尘颗粒物治理可采用防尘网、移动室等措施，在喷砂区域建立局部封闭系统，将喷砂产生的颗粒等污染物限制在封闭空间内。为减少粉尘排放，改善工作环境，在局部封闭系统内还须设计通风、温湿度调节和粉尘回收净化系统，与局部封闭系统形成外场一体化封闭措施，将颗粒物经过净化后排放，实现对颗粒物排放的有效治理。

3.2 喷涂颗粒物治理

3.2.1 提高油漆利用率

减少油漆喷涂颗粒物排放量的方法：(1)提高油漆附着率。采用高固体份油漆，减少稀释剂添加，降低漆雾颗粒的飘散，减少VOC排放。(2)调节喷涂工艺参数，提高喷涂水平，保证涂装的漆膜厚度在工艺规定的范围内，避免漆膜过厚现象。(3)规范操作作业，保持喷枪与待涂表面的距离、角度，避免外界环境风速带来的影响，降低操作不善导致的漆雾过度排放。(4)优化船舶建造工艺流程和管理模式，降低船舶构件在各工序间流转过程中涂层的破损率，减少重复涂装次数。

3.2.2 绿色喷涂工艺装备研发与应用

传统双组分油漆喷涂工艺采用20 L小桶包装，喷涂后油漆约有0.5%～2.5%残留，浪费严重。按此计算，若年消耗107L油漆，则需油漆桶50万套，而且传统喷涂工艺需添加5%以内的溶剂，同样增加VOC的排放。 大包装双组分油漆喷涂设备采用大包装桶供料，大包装桶容积500～900 L，以满足分段喷涂要求为宜，且具有搅拌和防爆、泄爆功能。喷涂设备采用电脑油漆配比、自动搅拌、自动混合与动态熟化技术，通过对流量、温度和生产信息的监控，实现生产信息管理与数据统计功能。该设备的供料系统采用防爆加热设计，配合立体搅拌、正压供料技术，解决了喷漆泵频繁报警问题。大包装双组分油漆喷涂设备如图4所示。

图4 大包装双组分油漆喷涂设备

大包装油漆封闭式供料模式可减少油漆桶内VOC挥发。大包装桶循环利用，不仅减少油漆残留浪费，而且节省了废油漆桶的处理费用。双组分油漆不预先混合，因此不存在剩余油漆固化浪费问题。双组分单独输送，因此在不更换油漆种类的情况下，喷漆泵和混合器前的管路无需清洗，每次喷涂至少可减少3 L油漆浪费。通过对实际应用数据进行分析统计，大包装双组分油漆喷涂工艺可节省2%～3%的油漆。

按船厂年消耗107L通用组分油漆计算，采用大包装双组分油漆喷涂设备可减少VOC排放388 t，节省油漆与溶剂消耗、固废处理和VOC排放费用总计约2 942万元，油漆桶的租赁费用与油漆桶采购费用大体相抵，折合至每升油漆可节省约2.94元。大包装双组分油漆喷涂工艺VOC减排和经济效益如表5和表6所示。

表5 大包装喷涂工艺装备VOC减排效果

表6 大包装喷涂工艺装备经济效益 万元

对大包装喷涂工艺装备进行数据分析[5]，大包装喷涂工艺装备可减少2%～3%油漆浪费，减少VOC排放量高达12.5%，对减少船舶构件涂装颗粒物排放具有积极的意义。

3.2.3 喷涂工艺装备改进

由于喷枪与船壳表面有一定的距离，因此在喷涂过程中一部分油漆以漆雾的形式向空中飘散。喷涂颗粒物排放受环境风速影响较大，因此在船坞、码头等地外场喷涂时，在喷枪末端设计局部遮挡装置可有效减少漆雾颗粒物的排放。国内有修船厂船舶外壳喷涂采用局部遮挡装置，有效地避免了环境气流对喷漆施工的影响，减少漆雾的污染排放。据统计采用封闭遮挡装置后，油漆损耗减少20%以上。

3.3 颗粒物排放综合管控措施

3.3.1 完善涂装生产管理制度

钢材表面经二次处理后，经检验合格后方可进行涂装。淡水舱、双层底、艏艉尖舱、冷却水舱、货舱、干舷等部位，以及气割表面、手工焊缝及边角等不易喷涂的地方应进行预涂。在船舶构件制造过程中，应加强各工序间的协调，做好中间产品移交工作，减少移交过程中构件涂层的破损，避免重复涂装现象。

3.3.2 提高油漆利用率

首先，对施工环境进行管控，提高油漆附着率，避免在高风速环境下进行喷涂作业。其次，喷涂生产应按照设计要求的膜厚施工，避免喷涂漆膜过厚现象，减少油漆喷涂浪费。然后，规范油漆喷涂施工作业，喷枪与工件之间距离保持250～400 mm，降低颗粒物排放。最后，大包装双组分油漆喷涂装备在施工时不添加溶剂，可减少VOC排放。

3.3.3 建立颗粒物排放监测制度

船舶企业应建立颗粒物污染排放监督制度，对重点颗粒污染物排放点进行监测，实时掌握颗粒物排放动态，建立颗粒污染物排放数据库与数据追踪制度，树立企业监测数据的可信度，完善船舶企业颗粒物治理管控体系。在有条件的情况下，可向当地管理部门开放监测数据，供地方监管部门进行查询，实时掌握颗粒物排放情况。

4 小 结

船舶涂装生产会产生粉尘、漆雾和VOC等多种颗粒污染物，污染物排放量大，环境污染严重，现有涂装装备无法实现绿色生产，特别是外场涂装无组织排放使环境污染更加严重。增加绿色工艺装备的应用比例，配合工艺改进与装备升级以及颗粒物排放综合管控等综合治理措施，可有效提高涂装颗粒物的治理效果，减少污染物排放。