国内船舶企业能耗及污染物排放

王江超， 包张静， 洪方智， 卓子超， 易 斌

(1.华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074；2.中国船舶工业综合技术经济研究院，北京 100081)

0 引 言

国内船舶企业作为中国实体经济、传统制造业的典型代表，当前普遍采用传统的劳动力密集、能源利用率低且污染物排放量大等特征的粗放型生产模式，已不适合船舶工业高质量发展的要求。与日韩船舶企业相比，我国船舶企业面临盈利能力差、生产效率低、产能相对过剩等问题。因此，需要树立节能环保理念，迅速转型升级，加快管理提升，通过技术革新、工艺优化及管理改进等措施，解决能源利用率低和污染物排放严重等突出问题，促进船舶工业提高产品技术含量及其附加值，增强国际市场竞争力。应积极做好顶层规划与船舶工业布局，加快资源整合，化解过剩产能，尽快产生规模经济效应，着力提升我国船舶修造工艺与精细化管理水平，稳步提高能源利用率和单位生产效率。王江超等[1]介绍国内船舶企业不同修造环节能耗情况，其主要受到加工量、质量要求、加工方法及能源转化率等因素影响，并对船舶修造过程中的不同污染物排放情况进行汇总分析，给出针对颗粒物(Particulate Matter，PM)和挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)的治理措施。

1 船舶修造工艺能耗及污染物排放评估

1.1 智能算法

对于具有复杂内在关系的测量数据，可使用智能算法进行分析。常见的智能算法包括：遗传进化算法、群体智能算法、模拟退火算法、神经网络算法等[2]。ANN是由存储在网络内部的大量神经元处理单元通过节点连接权重组成的一种信息响应网状拓扑结构。每个节点代表一种特定的输出函数，称为激活函数，每2个节点间的连接代表1个通过该连接信号的权重，ANN通过这种方式模拟人类的记忆。ANN的输出取决于网络结构、网络连接方式、权重和激活函数，其数学表达式为

t=f(WX+b)=f(∑XiWi+b)，i=1,2,…,n

(1)

式中：t为神经元输出；f为激活函数；W为神经元权重；X为输入向量；b为神经元偏置阈值；n为输入分量个数。

1.2 基于BP-ANN的板材日切割量预测模型

图1给出国内某船舶企业材料加工车间(Material Processing Workshop，MPW)板材日切割量。

图1 MPW板材日切割量

基于ANN理论构建BP-ANN，可获得MPW板材日切割量预测模型。BP-ANN是一种按照误差反向传播算法训练的多层前馈神经网络，其基本思想是梯度下降法，利用梯度搜索技术，使网络的实际输出值和期望输出值的均方误差为最小。板材日切割量预测模型建模过程如下：

(1)基于前向BP神经网络，构建MPW板材日切割量预测模型，其中：输入层节点数为3；隐含层节点数为8，隐含层的激活函数为正切S形激活函数；输出层节点数为1，输出层的激活函数为对数S形激活函数。

(2)采用梯度下降动量和自适应学习速率(Learning Rate，LR)算法，训练BP-ANN，其中：目标误差为1×10-4；误差指标为均方误差；LR为0.05；最大迭代次数为1 000 000。

(3)BP-ANN模型经过不断的训练和学习，对板材日切割量进行预测，并与MPW板材日切割量实测数据进行对比，如图2所示。其中：在计算至第48 978次迭代时，误差值达到目标值，计算停止，计算时间为84 s。

图2 MPW板材日切割量实际与预测测量结果对比

(4)结合BP-ANN结构及计算获得的输入-输出隐含层神经元的权重和阈值，构建MPW板材日切割量预测模型，如图3所示。

1.3 修造工艺能耗评估模型

船舶修造过程中的不同环节所采用的加工设备额定功率及电能转化效率有所差别，因此能源(电能及化学能)消耗有所不同。基于不同设备的能耗转化率及其工时占比，设置转化率权重和占比权重，建立船舶修造工艺能耗评估BP-ANN模型。

注：x为输入层的前3天日切割量；y为输出层的第4天日切割量；B为ANN隐含层阈值；W为ANN隐含层权重图3 MPW板材日切割量预测模型

通过激活函数，计算获得船舶修造工艺能耗指数。

以船舶修造各环节为基础，以能耗为输入参数(即神经元)，分设钢料预处理、板材切割、板材弯曲成形、焊接和涂装等能耗函数模块，再根据各环节的工时、成本和产值等综合设置工艺模块权重，实现船舶修造全工艺能耗评估。BP-ANN模型中的板材切割能耗函数模块如图4所示。

图4 板材切割能耗函数模块

根据能耗指数，评估不同船舶企业的能耗层级及水平。每个工艺能耗函数模块均包含具体方法的能耗量及其电能转化率和工时占比率等参数，因此可通过甄别主要能耗环节、能耗无效环节和能耗低效利用环节，指导船舶企业加以改进；通过提高设备的电能转化率及采用更先进的工艺降低耗电量，进行能耗工艺优化，降低修造成本，进而减小整个船舶修造过程的能耗指数。

1.4 修造工艺污染物排放评估模型

在船舶修造过程中排放的污染物主要分为废气、废水和固体废物等。针对不同污染物的排放量、对环境的危害程度及其修复成本，设定排放量权重、危害性权重和修复成本权重，建立船舶修造工艺污染物排放评估BP-ANN模型；结合不同工艺的实际污染物排放类型和排放量，通过激活函数，计算获得船舶修造工艺污染物排放指数，如图5所示。

图5 污染物排放指数评估BP-ANN模型

结合国家关于船舶修造过程中的污染物排放标准，在当前船舶修造过程中引入环保制造理念，采用先进工艺及技术，减少权重较大污染物的排放量，可有效减少整个船舶修造过程对环境的污染。

2 国内船舶工业能耗及污染物排放特征

2.1 能耗及污染物排放形式多样

对于不同的船舶修造工艺而言，由于具体方法不同，其消耗的能源种类各不相同。主要能耗类别是电能，修造工艺通过不同类型的机械设备，在电力驱动下完成船体板材结构加工需求；化学能也经常使用，例如板材火焰切割及水火弯板工艺需要燃烧乙炔、丙烷或天然气甲烷等产生热量。在修造工艺实施过程中，存在PM(PM2.5及PM10等)、噪声、VOCs及其他固废液废等污染物的排放，对大气及生态环境造成严重破坏。不同的工艺产生的污染物不同，例如：涂装工艺主要产生VOCs、危险废弃物(油漆桶等)；焊接及切割工艺产生烟尘、PM；各工艺均产生噪声。

2.2 节能和减排对立矛盾突出

在焊接过程中产生的PM严重污染环境，需要对其进行集中回收处理。在有组织排放的固定焊接工位，可使用焊接烟尘净化处理设备。该设备中的抽风系统需要在焊接过程中一直运行，消耗大量电能以降低焊接PM的排放，从而满足排放标准。在加工车间中，为有效降低无组织源PM的排放量，大多采用大功率抽风系统进行PM的统一收集处理。设备成本及用于PM吸附的滤芯增加修造成本，降低船舶企业利润。火焰及等离子切割设备PM收集装置成本更高，占用更大的场地空间，且能耗较大。

对于VOCs的处理，在适于回收的情况下，吸附技术是一种经济、符合清洁生产理念的选择，且成本低。涂装工艺产生的VOCs大多采用热氧化技术进行净化处理，包括蓄热式热氧化(Regenerative Thermal Oxidation，RTO)技术和蓄热式催化氧化(Regenerative Catalytic Oxidation，RCO)技术[3]。RTO的运行能耗主要是电和燃料(常用柴油、天然气)，在启动及运行过程中需要经常补充燃料以维持燃烧室温度，燃料消耗取决于蓄热陶瓷的蓄热能力。RTO的处理效果较好，但是造价昂贵，占地面积较大，需要对厂房进行改造。RCO具有RTO高效回收能量的特点和催化反应的低温工作优点，催化燃烧需要的辅助燃料少、能耗低，其主要成本支出在于购置催化剂，但大多只能处理质量浓度低的VOCs。当前，船舶企业大多采用吸附浓缩-脱附-催化燃烧的流程实现VOCs的净化处理[3]。设备额定功率为261.1 kW，其大功率能耗的运营成本使某些拥有废气燃烧处理设备的船舶企业并不经常使用。板材切割及焊接工艺的PM集中收集处理装置也存在由于设备能耗过高而不经常使用的问题。

先进修造设备的安装和投产确实可有效降低污染物排放量，然而，其高昂的设备成本费用、大功率能耗运营成本、厂房车间场地的占用和折旧率，均使现有工艺的优化改良和设备的改造升级存在成本劣势和实际操作的不可行性。为使减排设备正常运转，起到减少污染物排放的效果，需要使用蜂窝状活性炭、PM滤芯及贵金属催化剂等特殊辅助材料，其较高的使用费用影响和制约污染物减排目标的实现。使用无VOCs涂料可有效减少涂装工艺的VOCs排放，然而，由于其生产工艺尚不成熟，没有大规模量产和使用，且使用成本较高，因此影响和制约船舶修造工艺的污染物减排效果。

2.3 节能减排政策区域性差异明显

船舶企业由于具有独特的船舶下水工艺，因此大多建立在内河沿岸和沿海的位置。国内船舶企业主要位于内河及沿海经济发达且活跃的区域：珠江水系的广东省，长江水系的湖北省、江苏省及上海市，沿海地区的辽宁省、天津市、山东省、浙江省及福建省。国务院发布《防治船舶污染海洋环境管理条例》(2017年修正版)，生态环境部(原环境保护部)、国家质量监督检验检疫总局发布《工业企业厂界环境噪声排放标准》，交通运输部发布《船舶大气污染物排放控制区实施方案》。船舶工业发达的省市针对船舶企业污染物排放实际情况，在执行国家相关污染物排放法规的同时，相继发布区域性的支持政策和地方性环保法规。

上海市在巩固其船舶工业中心的同时，提出建立和完善国际海上航运及港口物流中心的目标，对船舶工业的未来发展制订新的政策和规划，对节能环保提出新的更高要求。上海市发布《上海市推进国际航运中心建设条例》《上海国际航运中心建设三年行动计划(2018—2020)》和《上海市大气污染防治条例》(2018年修正版)、《上海市环境保护条例》(2018年修正版)。为改善区域大气环境质量，加强对船舶企业大气污染物排放的控制和管理，促进相关生产工艺和污染治理技术的进步，结合上海市实际情况，上海市生态环境局(原上海市环境保护局)和上海市质量技术监督局发布《船舶工业大气污染物排放标准》[4]，对船舶修造与海工装备企业的大气污染物排放限值、监测、生产工艺、管理要求及标准实施与监督作出明确规定；考虑涂料类型和涂装位置的不同，对即用状态下的船用涂料质量浓度标准、船舶修造过程中的预处理及室内涂装的VOCs排放标准(排放限值和排放速度)作出相应规定。

湖北省发布《湖北省大气污染防治条例》(2018年修订版)和《湖北省土壤污染防治条例》。浙江省、福建省及广东省陆续发布区域性环保条例，依法对船舶企业的污染物排放超标、环境污染事件进行调查和行政处罚。

江苏省南通市发布《南通市“十三五”沿海前沿区域发展规划》及《南通市政府关于加快国家船舶出口基地建设的若干意见》，提出建立并打造世界级的船舶海工修造基地，汇集并重点扶持一些知名船舶海工企业。

浙江省舟山市获批舟山群岛新区，新区内海岸线长、海岛多、海洋资源丰富，地处我国海岸线中点及长三角地区，发展高新船舶与深海开发装备、港口物流与港航服务、海洋经济具备优越条件。舟山市发布《舟山市人民政府关于进一步促进船舶工业健康发展的若干意见》和《舟山市港口船舶污染物管理条例》。

2.4 节能减排重点各异

2.4.1 主力船型不同

我国作为世界造船大国，船舶修造类型主要集中在散货船、油船及集装箱船，这些船舶的技术附加值小，船舶企业利润普遍较低。为提升修造水平，实现造船强国梦，我国船舶企业开始研发和建造高技术船舶。上海沪东中华造船(集团)有限公司及江南造船(集团)有限责任公司近年来建造国产液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)船，实现低温及腐蚀性材料的高精度加工建造。上海外高桥造船有限公司及广州广船国际股份有限公司分别建造大型豪华游船、豪华客滚船等强调体验感的高技术远洋类客船，着重解决大型船体结构轻量化和旅客舒适度等问题。

2.4.2 船舶所有人要求不同

即使是相同的船型，由于船舶航行区域及运营航道不同，不同的船舶所有人对船舶企业提出不同的修造和环保要求，因此对修造工艺能耗及污染物排放产生不同的影响。船舶所有人的要求一般通过船级社的规范和质检加以实现和保障。

国际海事组织(IMO)基于环保，对船舶修造及污染物排放提出较多要求。IMO的海上环境保护委员会(MEPC)决定自2020年1月1日起，在全球范围内实施船用燃油硫的质量分数不超过0.50%的规定，并发布相关的《国际防止船舶造成污染公约》修正案、导则和通函等[5]；除对碳氧化物、氮氧化物排放提出要求外，船舶PM、碳氢等有害物排放控制陆续提上议程，排放控制区域不断增加。在防治海洋环境污染方面，IMO发布《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》，该公约是一项重要的保护海洋环境的国际措施，对防止由于船舶压载水造成的水生生物入侵、生态环境破坏具有里程碑式的意义。在国内，交通运输部发布的《船舶大气污染物排放控制区实施方案》规定严格的燃油控制标准，要求所有新造船舶选用的发动机须完全满足污染物排放标准。排放控制区包括内河控制区和沿海控制区，并特别划定海南水域范围。上述旨在减少航运污染物排放和保护海洋大气环境的规定，对船舶设计及修造产生重大影响，特别对国内船舶修造工艺能耗及污染物排放提出更高要求。

2.4.3 修造环节和场地不同

船舶建造环节依据顺序包括：钢材预处理(矫直、除锈及喷底漆)，板材边缘加工(切割及焊接坡口制备)，板材-型材弯曲成形，装配-焊接(定位焊、预热-层间温度控制-焊后热处理、工装夹具及翻身吊装等)，设备舾装及涂装(车间及外场)等[6-7]。

船舶维修环节主要集中在船体清洁(外表面浮游生物除污，防护涂装和含油废水、废油、有机废气及固废粉尘等的处理)、破损部位修复(切割及焊接处理)及舾装件更换调试等。在船舶维修过程中，需要在外场码头对船体外板首先进行除锈清理，大多采用无组织的露天喷砂，产生大量PM，对空气和环境产生严重污染。涂装环节产生大量VOCs，不易集中收集处理，形成无组织排放，对大气环境的污染和破坏比较严重。

2.4.4 具体修造工艺不同

船舶企业在开展各式船舶修造业务的同时，积极拓展海工装备结构(浮式平台、风电平台、海上渔场等)及非船钢结构(大型桥梁、海底沉管隧道、建筑钢结构等)的修造业务。由于材料、加工方法及使用环境工况的不同，钢结构在修造过程中的能耗及污染物排放相差较大。船舶及海洋开发装备服役的海水环境对钢结构外表面产生严重的化学腐蚀及浮游生物吸附，影响运营成本和使用寿命；在其修造过程中需要在涂装环节进行必要的防腐-防污保护处理，不可避免地产生大量VOCs。

3 船舶企业节能环保体系的构建要点

3.1 以计算机技术为基础

在加工质量不能满足修造要求的情况下，船舶企业需要对加工对象进行返工处理及二次加工；加工效率低下，不能高效完成单个对象加工；不同加工工艺具有顺序要求，难以在时间上统筹加工设备、加工工艺、加工任务等的协调和衔接。基于计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)、计算机辅助后勤支持(Computer Aided Logistics Support， CALS)系统等计算机技术的应用与发展，可有效提升加工效率，降低企业能耗。

使用激光号料及数控切割机床，不仅可有效避免传统电印号料的能耗及污染，而且可将号料工艺与板材切割工艺合二为一，提高船舶修造效率。规则板材在套料后经过火焰或等离子切割，得到设计所需要的板材零件，通过优化算法(遗传算法、模拟退火算法等)可优化切割行走路径，实现板材的高效切割，节约能耗及燃烧气体量。

在板材冷弯压制及卷制过程中，由于存在回弹现象，整个弯曲过程采用逐次逼近工艺。通过研究不同材料、厚度的回弹现象，以数据积累或数值计算的方法获得精确的回弹量，可有效减少冷弯的过程消耗，提高弯曲成形效率。水火弯板的加热路径及加热强度直接影响最终的板材弯曲精度和能耗，基于弯曲成形工艺力学和先进计算方法，优化加热工艺和路径，是保障弯曲精度、实现节能的有效措施。

焊接过程的变形是制约船舶修造精度的主要问题。反变形法及工装夹具的施加，在控制焊接变形的同时，延长修造时间周期且增加能耗。使用新的焊接工艺，在保证焊接质量的条件下，采用更加优化的坡口设计，不仅可减少焊材和能耗，而且可达到减排环保的目的。基于计算焊接力学的无裕量造船模式，可精准利用建造材料，确保建造精度，不仅可避免后期边缘切割及打磨加工等工序，而且减少型材、边角料等固体废弃物的排放，在降低能耗的同时，有助于保护生态环境。

3.2 应用先进修造工艺

船舶修造过程中的加工质量问题主要是加工精度及涂装的厚度和均匀度。板材切割的尺寸精度、板材弯曲成形的面外变形及焊接变形的矫正均影响船舶修造精度及加工能耗和工时。板材边缘加工可采用高压水射流切割工艺，在减少PM产生的同时，可有效降低热变形，确保切割精度。当前，船舶企业常采用手工电弧焊、CO2气体保护焊和埋弧焊等焊接方法。埋弧焊的实施过程需要焊剂小车及行走轨道的配合，限制其不能大范围应用；然而，从能耗及焊接热输入的角度分析，埋弧焊的线能量更大，可实现大厚板对接焊的热输入高效焊接。埋弧焊由于焊剂的保护作用，热效率更高(达90%以上)，可更好地将电能转化为热能，实现焊丝的熔化焊接。CO2气体保护焊的热效率为50%～70%，部分电能转化为弧光和热能，散失至空气中。针对特殊材料和结构，可采用激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊和爆炸焊等先进焊接方法，解决特殊工程问题，进而满足实际修造的具体需求。

底漆喷涂和涂装工艺中的设备额定功率大、能耗高，若提高涂装质量、减少补漆环节，则可有效降低能耗及污染物排放。为提高涂料附着率，确保涂装的厚度和均匀度，实现高质量的涂装工艺，可使用基于先进喷涂工艺的混气喷涂设备。

在预处理除锈及切割环节产生的PM，作为重要的大气污染物，需要在未来船舶修造中予以解决。采用更加先进的金属及复合材料(不锈钢、碳纤维材料等)，可从源头上有效避免PM的产生，保护大气环境。

在焊接过程中产生的烟尘也是大气污染的主要来源。一方面，通过激光焊等热量更为集中的先进焊接方法，在确保焊接质量的同时，可减少污染物排放；另一方面，使用热输入且热效率更高的埋弧焊、焊剂铜衬垫(Flux Copper Backing，FCB)法多丝单面埋弧自动焊等焊接工艺，可减少焊接烟尘排放。普通的CO2气体保护焊可通过改良的药芯焊丝，可减少焊接烟尘排放。

预处理底漆保护和涂装环节产生大量VOCs，对VOCs的净化处理过程如下：(1)经2～3级过滤，通过蜂窝活性炭吸附箱体对质量浓度低的VOCs有机废气进行浓缩处理；(2)加热器加热蜂窝状活性炭至80°以上，使VOCs脱离活性炭；(3)浓缩的VOCs进入催化燃烧室，在贵金属催化剂的作用下，在较低的起燃温度下发生燃烧化学反应，产生无污染的CO2和水，燃烧后的气体经检测可排放至大气中。另外，在预处理及涂装环节，在使用吸附、催化燃烧、生物技术等末端治理方法的同时，可选用无VOCs的环保型涂料(水性可剥离涂料)，从源头上减少VOCs排放。

针对油漆桶堆场的VOCs排放超标问题，可加装VOCs收集处理装置，使用活性炭进行吸附净化，进而确保排放达标。

4 结 语

节能减排是船舶工业及船舶企业发展的必由之路，为实现节能减排目标，需要社会、经济、科技、环保等多方位的综合发展。在大力发展船舶工业、振兴经济的同时，不得不面临能耗及污染物排放等问题。对于全球性的船舶修造、航运及港口企业，在促进全球经济发展、加强国际贸易交流的同时，需要防范全球环境恶化及地方生态系统(物种)破坏等问题。