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          半導體制造業揮發有機氣體防治研究

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          文章出處:www.zjlida.com.cn責任編輯:作者: 人氣: 發表時間:2021-08-23 15:02:40

          1 前言

          半導體制造的過程除了會產生眾多無機有害氣體外,還容易產生大量的揮發有機污染物VOCs。這些有機污染物主要來源于清洗、刻蝕、沉積、鍍膜、光刻、顯影等頻繁使用有機溶劑的工序。半導體生產制造過程中產生的VOCs污染物成分復雜,主要有各類烷烴、烯炔烴類、芳族化合物以及酮、醚類等。

          大量揮發性的有機污染物進入大氣中不但會對自然生態造成巨大破壞,而且也對人們的身心健康產生嚴重威脅?,F代半導體生產制造企業產能擴張,產生了大量工業廢氣進入大氣環境,工業廢氣中最難被自然界自凈消除、對動植物危害最大的就是揮發性有機污染物(VOCs)。這些小分子有機污染氣體通?;瘜W性能活潑,具備極強的化學反應活性,非常容易與自然界中像臭氧、空氣等發生反應,引發越來越嚴重的溫室效應,長期來看甚至可能引發區域性乃至全球性環境危機??諝庵械膿]發性有機污染物也通過呼吸道進入人體內,不僅會對呼吸道造成損傷,同時也容易引起肝臟、腎臟的病變,長期吸入將大大增加致癌風險。因此,加強對半導體企業的監督管理,強化企業排放VOCs的治理極具社會意義。

          2 污染現狀

          最近幾年,全國各地極端污染天氣頻發,長時間嚴重的霧霾天氣嚴重影響人居環境,大氣中的PM2.5染持續超出標準,空氣質量每況愈下。這些災害對人們的生活帶來極大的不便,并且顯著降低了城區居民的健康狀況和生活幸福感。我國的環境問題主要來源于工業固廢、廢水及廢氣的過度排放。隨著我國法律體系的日趨完善,工業固廢和廢水濫排情況由于容易查證追責,未經處理排放的現象已經逐漸減少。但是對于工業廢氣,尤其是對于那些揮發性有機污染物排放的法律規范相對欠缺。因此,大氣環境治理和相關法律政策的完善迫在眉睫。

          當代社會人們的物質生活極大豐富,社會居民的消費水平不斷增強,可以說現代化社會是建立在以半導體電子行業基礎上的信息化社會,大家對于半導體電子產品的需求量激增,各類消費電子產品蓬勃發展。半導體制造業規模擴大,而在其制造過程中多個環節都涉及有機溶劑的使用,這就導致了生產集成電路半導體產品時揮發的高活性VOCs廢氣含量倍增。更加令人擔憂的是,先期半導體制造企業野蠻生長,部分企業存在對有機污染物VOCs處理不到位的情況,生產制造過程使用大量有機溶劑的工序未做到密閉操作,這就造成大量有機溶劑揮發到空氣中,向外界環境釋放出VOCs。并且很大比例的半導體企業對收集廢氣的處理效率不高,主要的VOCs凈化處理方式是以單一的活性炭吸附為主。主要采取的收集方式也大多為效率不高的側吸或頂吸。致使有機廢氣的收集凈化效果遠未達到90%以上的目標。更有少量企業為了降低生產成本無視法規不經凈化處理直接排放?;谏鲜鲞@些揮發有機廢氣污染排放情況,VOCs對自然生態造成的危害日益凸顯。

          3 防治策略研究

          3.1污染源控制

          首先,直接通過工裝設備改進及處理工藝優化從源頭上減少有機溶劑的揮發污染。優化光刻、刻蝕等環節的潔凈室設計,形成封閉式操作環境,更多地采取自動化設備實現高效操作,提高原材料的使用效率,最大程度減少VOCs的揮發,提高廢氣的收集效率。其次,大量丙酮等有機溶劑的儲存具有很大的污染風險。如果儲存條件不當,容易產生較多揮發性VOCs并擴散到空氣中,長期污染周邊環境。所以有機溶劑及其他易揮發物質應嚴格存放在特定區域,加強空間揮發氣體的收集處理,減少有機化合物進入大氣環境。開封使用后的儲存桶必須密封處理,以減少揮發性有機化合物的無組織排放。

          3.2收集系統控制

          根據國家重點行業有機污染物VOCs控制原則,企業產生的揮發性有機廢氣必須按照行業規范進行富集后統一進行凈化處理,并且其收集轉化效率必須達90%以上。因此,廢氣收集系統的科學有效對VOCs污染的防治具有非常重要的意義。企業生產中產生VOCs的裝置和環節應盡量做到密閉設計,使用有機溶劑的端口應設計成負壓,最大程度減少VOCs的無組織排放。對半導體行業中自動化設備的使用也應該充分考慮揮發有機污染收集系統,盡可能利用生產設備自帶的集氣系統進行收集。如果容易使用環節無法做到密封,也應使用設計合理的集氣罩盡可能多地收集揮發氣體和更多的污染物。同時集氣罩使用的吸氣循環方向應與設備排氣流向一致,吸氣量根據揮發污染物含量設置適當參數,以此來加強廢氣收集效率。

          3.3末端凈化治理

          末端治理是當前絕大多數半導體企業采用的廢氣凈化處理方式。最終通過大量富集揮發性有機廢氣并在排放入大氣之前對這些污染氣體集中治理,滿足凈化90%以上的標準后才能排放。因此各個企業需要計算分析產生廢氣組成、濃度、風量等參數調整最合適的參數進行收集凈化,同時經濟可行性也是一種必須考慮的因素。目前常用的末端處理工藝主要有活性炭吸附+催化燃燒法(RCO)、沸石吸附法+蓄熱式焚燒爐(RTO)以及大孔吸附樹脂+催化/蓄熱式焚燒爐法等。采用末端凈化治理方式應該根據不同企業產生VOCs含量與成分選擇最為合適的后處理方法。

          3.3.1 活性炭吸附+催化燃燒(RCO)

          生產過程揮發的有機氣體通過活性炭層時,有機廢氣會被有效地吸附在活性炭中達到除去廢氣中VOC的目的。當探測到活性炭的吸附能力接近飽和后,利用熱風均勻加熱活性炭吸附層來使有機廢氣解吸。解吸后的高濃度有機廢氣在風扇泵產生的氣流輸送下進入催化燃燒設備進行催化燃燒(RCO)。充分燃燒后的產物為無污染的CO2和H2O,能夠直接排放到空氣中。由于催化燃燒室的氣體溫度通常較高,因此可以引入熱交換器與常溫空氣進行熱交換,在減少解吸過程中的能耗同時回收利用產生熱能。

          3.3.2 沸石吸附+再生焚化爐(RTO)

          沸石吸附是將半導體制造過程中產生的VOCs吸附在多孔的的沸石結構中,從而達到從有機廢氣中除去VOCs的過程。有害氣體通過凈化設備緩慢地在沸石轉輪上進行吸附和濃縮,凈化后產生的清潔氣體通過排氣漏斗排出。沸石緩慢運行以將吸附在吸附區中的有機廢氣旋轉到解吸區,在解吸區引入熱空氣將解吸流道中吸附的有機廢氣解吸釋放形成高濃度有機廢氣,最終通過輸送風扇泵將其泵入再生焚化爐(RTO)中進行燃燒。同時燃燒過程中產生的高溫氣體循環進入熱交換器中回收用于VOCs的解吸,燃燒后產生無害的CO2和H2O排放到大氣中。

          3.3.3 大孔吸附樹脂+催化/蓄熱式焚燒爐法

          大孔吸附樹脂連續設備采用樹脂作為新型吸附材料,處理工藝分為吸附、脫附、冷卻再生,冷凝回收等環節,各個環節通過自動化控制閥門的切換實現不同的操作。VOCs廢氣經多級過濾裝置預處理之后,進入裝填有大孔吸附樹脂的特定樹脂柱進行吸附處理,經過大孔吸附樹脂附凈化后的潔凈氣體則直接通過管道排放到大氣中。待吸附區的大孔吸附飽和之后,調節閥門控制其進行再生環節,利用高溫蒸汽進行脫附濃縮,脫附溫度為通常為100℃~150℃,運行過程耐熱溫度最高可達150℃。根據組分及濃度,調節閥門切換時間,可實現高的凈化效率。設定好吸附速度和脫附速度,可以達到理想的VOCs濃縮倍率,最大程度降低運行能耗。脫附后的大孔吸附樹脂進入冷卻再生環節,由冷空氣或者冷廢氣進行冷卻再生,再生后的大孔吸附樹脂可再進行吸附環節,持續吸附VOCs廢氣,周而復始,連續運行,自動化程度較高。脫附后的濃縮有機廢氣處理方式多樣,根據不同工況可選擇蓄熱氧化(RTO)和催化氧化(CO)等氧化單元。富集后的氣體通過風機抽送至熱氧化爐進行燃燒轉化成二氧化碳及水蒸氣排放至大氣中。VOCs在燃燒室內進行熱氧化放出的熱量,部分維持自身運行,如有富裕的熱量可供大孔吸附樹脂脫附使用?;蛘哌M行余熱回收,比如用在導熱油鍋爐或者余熱蒸汽鍋爐使用,最大化的節約能源。將富集后的再生氣通過冷凝回收裝置,還能夠做到冷凝回收目標產物。

          3.3.4末端處理工藝比較研究

          采用大孔吸附樹脂作為吸附劑和活性炭、沸石等相比的安全性能更好,對VOCs的吸附精度高極高,能夠充分吸附鹵代烴等難吸附氣體。通過熱氣流再生時樹脂不易發生著火現象,安全性比較高。并且該工藝再生溫度能夠提高,適用于從低沸點到高沸點的各種VOCs的凈化以及資源化的回收。同時,大孔吸附樹脂吸附還具有設備使用壽命長,再生活化成本低,可反復再生等優勢。不像活性炭及沸石更換頻繁,易產生二次污染。但是,大孔吸附樹脂處理工藝的設備一次性投入成本較大,VOCs的吸附量相對活性炭和沸石會小一點,因而更適用于中低濃度但高反應活性的揮發性有機小分子凈化。

          3.4監管策略

          揮發有機氣體的防治手段無論是從污染源頭控制,收集系統控制以及最終凈化處理都會相應地減少企業產生VOC的排放。但是,不管上述措施是否充分實施,或者實施以后是否可以達到預期的效果,有關政府職能部門也應當進行廢氣排放的監督和監測,半導體企業本身也應當建立相應的管理制度。

          企業建設和運行過程中都應進行環境影響評估,半導體制造企業需要向當地環保監管部門遞交項目申請及報告,并由專家對項目中使用的原材料及其成分,產生有機廢氣的時間,產生的廢氣的類型以及處理方法進行評估。只有經過環境保護局批準該項目后才能開展生產經營活動。同時,政府部門不定期對半導體電子企業進行現場監督,主要核查原材料、設備等的使用及末端治理效率。將原材料的使用與環境影響評價進行比較,看原材料是否存放在原材料倉庫中,企業與環評登記的原材料是否一致,有機物的種類是否一致,是否有超出環評范圍的原材料等。對于投訴較多、管理水平較差的老舊企業可調整監察時間,開展夜間或者節假日監察,更有針對性地監察企業污染治理情況,必要時進行強制整改。

          4 結論

          半導體制造業飛速發展,各個生產制造環節的有機揮發氣體防治任務尤為緊迫。政府部門在加強半導體制造業VOCs排放監察的同時也應給予相應激勵政策,支持半導體制造行業加大對清潔生產工藝、高效末端凈化處理技術的研發。根據企業產生有機廢氣情況針對性的使用高效末端治理工藝。起草建立半導體行業有機氣體防治行業標準,從有機溶劑的儲存、運輸方式、制造設備及廠房到最終廢氣凈化的各個環節進行改進提高,形成廢氣檢測和處理的閉環,減少VOCs污染物向大氣環境擴散。

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