荣成市船舶制造行业VOCs 减排分析

初吉忠

(荣成市生态环境事务服务中心，山东 荣成 264300)

1 引言

“十三五”期间，我国环境空气质量有了明显改善，细颗粒物(PM2.5)浓度大幅下降，PM2.5防控取得明显进展，但随着城市化的快速推进和大气氧化性的增强，高浓度O3污染问题日渐突出，全国以O3为首要污染物的超标天数占总超标天数的比例大幅度增加，大气污染格局正发生深刻变化，以PM2.5与O3为主的大气复合污染是“十四五”大气污染防治的重要任务[1～4]。O3化学生成机制复杂，与前体物挥发性有机物(VOCs)和NOx的关系呈非线性。VOCs作为大气O3重要前体物，经济发达区域开展了部分前体物在O3生成中的影响研究，为城市及区域性O3防控提供思路[5]。如Zhang等[6]和刘奇琛等[7]对北京的大气挥发性有机物进行了研究，发现将北京地区O3作为空气质量目标时，需要加快活性VOCs的减少速度，同时要与NOx协同防控。林燕芬等[8]的研究基于VOCs手工监测数据，探讨了上海典型臭氧污染过程特征，并对污染过程的成因进行了分析。除了上述特大城市以外，在山东省内，在对全省臭氧污染特征及驱动因素区域差异进行研究的基础上[9]，学者还对省内的许多城市，如济南[10]、青岛[11]、淄博[12,13]、烟台[14,15]、威海[16]、日照[17]等大中城市区域内的VOCs的产生与排放及对O3的影响进行了研究。但迄今为止对小城市区域内相关研究较少，尤其是不同行业的人为来源VOCs排放与控制及对O3的影响的研究较少[18～20]。本文以县级市荣成为例，研究较小区域内VOCs的产生与减排情况。

荣成市地处山东半岛最东端，三面环海，海岸线长487 km，沿海分布10个海湾、115个大小岛屿，拥有中国北方最大的渔港——石岛渔港。临近烟威、石岛、连青石渔场，是多种鱼虾洄游的必经之路，水产资源十分丰富，已发现的浅海和滩涂生物394种，主要经济生物近百种[21,22]。荣成充分发挥得天独厚的自然优势，船舶制造工业较为发达，是北方重要的船舶制造修造基地，而船舶制造修造工艺中的涂装过程中使用的涂料、稀释剂、固化剂等原辅材料是工业VOCs排放的重要来源[23～25]。

荣成市大气质量一直处于山东省各城市前茅，各项指标年均值达到了国家大气质量二级标准以上。近3年少数环境空气不达标的天气，主要原因为PM2.5和O3指标超标。其中，PM2.5浓度已呈现下降趋势，但O3污染逐渐凸显，以O3为首要污染物的超标天数占总超标天数的比例呈增加趋势，O3超标已成为制约荣成市空气质量提升的最大短板，加强对O3污染的重要前体物VOCs的防治是改善大气质量的重要措施。因此，为改善和提高荣成市的空气质量，本文分析了荣成市船舶制造行业VOCs排放及控制现状，查找该行业VOCs减排中存在的问题，结合目前该行业国内外VOCs减排方法和措施[26,27]，提出了本地船舶制造业VOCs削减重点及对策。

2 荣成市环境空气质量现状及排放VOCs行业分析

2.1 荣成市环境空气质量现状

荣成市近3年环境空气状况见表1。

表1 荣成市环境空气污染物数据统计

从表1可以看出，荣成市环境空气中各项指标年均值均低于《环境空气质量》(GB3095-2021)二级限值，市域的大气质量达到了国家大气质量二级标准以上，优良天数分别为：2019年339 d，2020年359 d，2021年356 d。同时还可以看出，在国家规定的6种污染物中，O3年浓度在2019～2021年最大8 h平均值第90%位置分别是141，126，124 μg/m3，分别占二级评价标准(160 μg/m3)的88.1%，78.8%和77.5%，而其他5种污染物浓度占二级评价标准的百分比均低于O3的占比，因此，有必要对O3指标作进一步分析。表2是荣成市2019～2021年环境空气以某首要污染物的超标天数统计。

表2 荣成市环境空气以某首要污染物的超标天数统计 d

从表2可以看出，荣成市2019～2021年以国家规定的6种污染物为首要污染物超标的天数。以PM2.5指标为首要超标天数的分别是13，4，0 d，已呈现明显下降的趋势；以PM10指标为首要超标天数的分别是2，0，5 d，2021年出现异常；以O3指标为首要污染物的超标天数的分别是7，2，4 d，结合表1所示O3年均值：2019年为141 μg/m3，2020年为126 μg/m3，2021年为124 μg/m3，O3浓度下降趋势甚微，O3超标已成为制约荣成市空气质量提升的制约因素，必须从源头和治理上分析解决。O3削减的关键是控制人为源VOCs的排放，VOCs来源广泛，涉及生产、生活等众多途径。为此，VOCs污染控制是今后环境空气质量改善过程中的一项重要工作。

2.2 排放VOCs行业分析

根据调查分析，荣成市的VOCs排放主要源于工农业生产排放、机动车尾气排放和服务行业如加油站、饮食服务行业排放及日常生活等。其中，市域内的100余家加油站全部按照国家规定建设了油气回收装置，饮食服务行业也安装了油烟处理回收装置，VOCs排放量不大，VOCs排放主要是工业生产过程中排放的，包括化工、橡胶、机械制造、船舶、造纸等企业。荣成市各行业有机废气排放分布情况见表3。

表3 荣成市有机废气排放行业分布

从表3可以看出，荣成市化工和橡胶行业年排放量约在400 t左右，主要原因是这两个行业企业数量较少，产生的VOCs均经过环保设施处理后达标排放。使用油漆的机械制造企业全部建设废气处理设施，同样VOCs排放量不大，约180 t。造纸和农业VOCs的排放量分别是360 t，220 t。通过调研、材料分析了解到荣成市的VOCs主要来源于船舶行业。荣成市的船舶企业较多，在船舶制造、维修过程中使用大量的有机涂料，涂料释放出大量的VOCs。船舶行业排放的VOCs占全市的63.3%左右。因此，可认为荣成市O3超标的主要原因是：制造修造船企业较多，油漆使用量较大，释放出大量的VOCs。

3 荣成市船舶行业VOCs减排分析

3.1 船舶企业类型和产能分析

20世纪90年代末，荣成市将船舶及零部件制造确定为荣成市的支柱产业，船舶行业得到迅速发展，高峰期大小制造修造船企47家。企业类型有：几家大型造船厂进行货船的制造，几家大型修船厂专门进行货轮的维修，多数船厂进行渔船的制造和维修，还有几家只能进行渔船的维修。随着海洋资源的枯竭及航运业的不景气，逐步淘汰了部分船舶企业，到目前，荣成仍有大小28家修造船企业，其中规模较大的有8家(造船4家，修船4家)，可以建造或维修货船或特殊船舶，其他船厂以制造各类千吨以下的渔船或以维修各类渔船为主。荣成市造船能力在70万载重吨，修船能力在100万载重吨。多年来，由于世界经济不景气和海上资源枯竭，实际造船业务维持在40万t左右，修船业务维持在50万t左右。

3.2 生产工艺VOCs产生与排放分析

3.2.1 船舶油漆成分分析

荣成市船舶制造行业VOCs排放过程主要为涂装工序，所需要的涂料有环氧漆、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平均含量约35%，环氧树脂等其他固形物平均含量可达到65%，具体见表4。

表4 船舶油漆、稀释剂组成成分

通过资料分析和实地调查了解，荣成市修造船企业的油漆用量较大，仅某一家造船企业年需2500 t左右。在经济形势好的情况下荣成市修造船行业年需要油漆近万t。

3.2.2 船舶制造生产工序VOCs排放及治理设施现状分析

船舶修造行业产生废气环节见表5，VOCs排放过程主要为涂装工序[1,26,27]。船舶涂装工序主要涉及钢板等原材料预处理、船体局部底漆喷涂、分段涂装、组装后补涂、维修时除锈补涂等环节。

表5 船舶制造产生废气环节一览

市域内造船企业和大型修船企业均建设了VOCs治理设施，大部分使用活性炭吸附催化燃烧法。这些船舶制造企业一般先在密闭车间内对船体进行分段涂装，然后转移到船坞进行拼装，拼装后再对拼接部位进行涂装。个别企业在拼接部位进行涂装过程中，会采用移动式集气罩收集涂装废气后进行处理，但大部分企业直接进行敞开式涂装。由于修船企业的特殊性，需要维修的船舶自身体积大，难以搭建密闭设施对废气进行全密闭收集，只能停靠于码头、船坞等场所进行露天涂装作业，个别企业即使进行废气收集，因设施技术含量较低，也达不到真正的处理效果。

3.2.3 市域内船舶制造行业VOCs排放分析

为估算市域内设有吸附脱附—催化燃烧设备处理废气的船舶制造企业VOCs年产生量、削减量和排放量，现以某造船有限公司为例分析估算其VOCs产生量、削减量和排放量。

该公司油漆用量2480 t/a，稀释剂年用量134 t/a。按油漆中VOCs含量35%、稀释剂中100%计算，VOCs产生量：2480×35%+134×100%=1002 t/a。

喷漆均在封闭的喷漆房内进行，采用活性炭+催化燃烧治理设施进行处理后有组织排放。根据喷漆房设计厂家提供参数，喷涂时喷漆房封闭，废气收集效率可达到90%以上，处理效率85%，经计算，VOCs削减量：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，环氧树脂等其他固形物平均含量可达到65%，固形物中4%以漆雾形式散发，这样，漆雾产生量：2480×65%×4%=64.5 t/a。

因此，该企业VOCs的总排放量为235.5+64.5=300 t/a。

通过上述分析得出：采用吸附脱附—催化燃烧设备处理的企业，1t油漆VOCs排放量(拼接部位涂装气体收集不充分)大于：300/2480=0.12 t。

同样，假设该企业没有采用吸附脱附—催化燃烧设备，废气直接排放，也可以估算出没有废气治理设施的企业，使用1t油漆VOCs排放量：(1002+64.5)/2480=0.43 t。

荣成市造船企业油漆用量在6000 t/a左右，修船企业油漆用量在4000 t/a左右。其中，造船各企业均配置了VOCs处理设施，故造船行业VOCs排放量为： 6000×0.12=720 t/a左右。

修船行业中，大型修船企业建有废气收集及处理设施，油漆用量在1400 t/a左右，其它中小型修船企业大都没有配置废气收集及处理设施，油漆用量在2600 t/a左右，这样，修船行业的VOCs的排放量为：1400×0.12+2600×0.43=1286 t/a左右。

因此，得出荣成市船舶行业排放VOCs大约为：720+1286=2006 t/a，即2000 t/a左右；削减量大约(0.43-0.12)×(4000+1400)=1674 t/a。

4 结论与讨论

4.1 结论

荣成市船舶企业数量较多，在经济形势好的情况下，年油漆使用量上万t。船舶修造行业VOCs排放过程主要为涂装工序。市域内造船企业和大型修船企业均建设了VOCs治理设施，年VOCs削减量近1700 t；但由于修船企业的特殊性，大部分中小修船企业尚未安装VOCs治理设施，或者即使配备了相关设施，治理效果也较差。荣成市船舶行业年排放的VOCs大约2000 t，居各行业之首，占全市的63.3%左右，是荣成市O3超标的主要人为原因。为改善荣成市的大气质量，应有针对性分析船舶制造企业VOCs的治理和存在问题，并提出管控措施，通过精准的治理措施，能大幅度地削减荣成市VOCs的排放量，从而降低大气中O3的含量，使得荣成市的大气环境质量得到进一步提高。

4.2 讨论

4.2.1 船舶行业 VOCs防治存在的问题

4.2.1.1 结构布局不合理

荣成市小型船舶企业较多。由于小型船舶企业经济实力薄弱，基本采用落后的生产工艺，大多数进行露天喷漆作业，缺乏VOCs相应的收集和处理方法，导致产生大量的VOCs未经处理直接排放至大气中。

4.2.1.2 油漆材料落后

企业由于资金紧张无法进行技术创新，特别市场竞争激烈，包括船企股东在内都想降低生产成本，致使船舶企业所采用的油漆材料大多为成本较低的老型涂料，没有采用成本较高但VOCs释放量较小的环保型水溶性油漆。

4.2.1.3 有效治理措施覆盖率低

治理设施利用不充分。较大的造船企业，建有密闭喷漆车间，仅将分段船体纳入到了室内作业范围中，较小的零部件依然露天喷涂，VOCs收集、处理设施未得到充分应用。

分段涂装间也存在一些不足。如涂装间在作业时未完全密闭、开口面未形成微负压、风量不匹配等，影响VOCs收集效果，导致涂装间的收集效率不超过85%，VOCs削减率降低。

4.2.1.4 治理装备落后

个别企业即使进行废气收集，设施技术含量较低，达不到真正的处理效果。有的使用活性炭移动式吸气罩，设备摆放位置不正确、活性炭不更换，VOCs削减效率不超过30%。移动式吸气处理装置由于管理不到位，VOCs削减效率不超过20%。

修船企业多数无废气治理设施；造船企业的船段拼装过程中基本没有采取任何VOCs治理措施，直接露天喷涂，VOCs减排量为零。

4.2.2 VOCs减排措施和建议

4.2.2.1 提升行业整体制造水平

淘汰落后产能促进企业上档升级来降低VOCs的排放。一方面，促进船舶企业在限定期限内完成升级改造；另一方面，对于不能满足生产标准的小型企业予以关闭，从源头上减少VOCs的排放量。

将企业分为三类：提升类、整治类和淘汰类。对于达到标准的大型企业可以给予相关优惠政策，鼓励减少VOCs的排放量；对于未达到标准，通过整治使其实现升级上档，减少VOCs的排放量；对达不到整治要求的企业可以淘汰，从源头上削减VOCs的排放量。

4.2.2.2 使用新型涂料

船舶企业应树立全过程治理的理念，推广使用水性涂料、高固形物涂料等环境友好型涂料替代溶剂型涂料，从源头减少VOCs产生量。同时，鼓励低VOCs涂料的研发和生产，推广低VOCs涂料的使用。

4.2.2.3 提高VOCs收集率

全面加强无组织排放VOCs的收集。船舶企业将能纳入密闭喷漆房进行涂装作业的工件尽量纳入到喷漆房中，按照“应收尽收”的原则提高VOCs收集率。同时，对于原辅材料的存储、使用等也应该密闭保存，避免挥发，减少VOCs的排放量。

4.2.2.4 建设VOCs治理设施

船舶企业必须建设技术含量高的VOCs治理设施，同时全面加强VOCs处理设施的运行管理，确保达标排放。企业要建立VOCs处理设施运行台账，特别是活性炭更换台账并严格执行台账管理。

船舶企业应积极采用VOCs防治新技术，将原有设备的转型升级提上日程，制定切实可行改造方案，分阶段分步骤实施。

4.2.2.5 加大监管力度

荣成市VOCs的减排是有空间的，在企业采取多种治理措施的同时，相关职能部门要加强监管。一是解决船舶行业存在的环境意识不强，环保措施落实不到位的问题；二是环保部门应该进行常态化执法、定期巡查，防止企业发生活性炭不按期更换、设施运行不达标等问题的发生；三是严格执行挥发性有机物无组织排放控制标准及相关涂料控制限值；四是建立船舶协会，邀请船舶企业加入，形成一个自查、互查的船舶集体。