周 莉

（南京京東方顯示技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210033）

0 引言

液晶面板和芯片的生產(chǎn)過程中排放的有機(jī)廢氣具有排放量大、濃度低、成分復(fù)雜和連續(xù)排放的特點(diǎn)，排放的污染物包括丙酮、異丙醇、乙二醇、酯類以及六甲基二硅氮烷（HMDS）等，這些物質(zhì)沸點(diǎn)分布廣、有一定熱值、閃點(diǎn)低，因而行業(yè)內(nèi)采用焚燒處理是一種比較理想的方式。通常先采用濃縮轉(zhuǎn)輪進(jìn)行濃縮，再進(jìn)行高溫焚燒氧化處理，該方法對(duì)污染物處理效率較高，能達(dá)到99.5%以上[1]。

廢氣經(jīng)焚燒處理后具有較高熱量，直接排放會(huì)污染環(huán)境，故應(yīng)用時(shí)會(huì)考慮對(duì)熱量進(jìn)行回收。焚燒處理工藝中早期使用直燃爐，隨著技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，后來增設(shè)塔式爐，進(jìn)而發(fā)展成為旋轉(zhuǎn)爐。以上3 種爐型燃燒溫度都相同，只是塔式爐和旋轉(zhuǎn)爐使用了耐高溫的蓄熱材料，它們的熱回收效率分別為65%、90%、95%。轉(zhuǎn)輪+旋轉(zhuǎn)爐工藝因其穩(wěn)定性高、處理效率高、節(jié)能效果最佳、占地面積最小等特點(diǎn)本應(yīng)成為面板和半導(dǎo)體行業(yè)有機(jī)廢氣處理的優(yōu)選方案，但由于焚燒過程中伴生大量粉塵使得系統(tǒng)運(yùn)行困難，因此受到極大限制。塔式爐也面臨一樣的問題，而直燃爐由于沒有蓄熱材料會(huì)略好。

1 轉(zhuǎn)輪、旋轉(zhuǎn)爐

轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)一般采用沸石。旋轉(zhuǎn)爐分成頂部燃燒室、蓄熱層及分配氣缸3 個(gè)核心單元，蓄熱層填充蓄熱陶瓷。由于轉(zhuǎn)輪和燃燒室都使用節(jié)能和吸附效果好的蜂巢結(jié)構(gòu)，粉塵易堆積于這些蜂巢結(jié)構(gòu)中，對(duì)其性能造成不利影響。蓄熱陶瓷堵塞狀態(tài)如圖1所示。

圖1 蓄熱陶瓷堵塞狀態(tài)

2 粉塵對(duì)處理工藝的影響

2.1 粉塵對(duì)旋轉(zhuǎn)爐熱回收的影響

粉塵堆積在旋轉(zhuǎn)爐內(nèi)的多細(xì)孔蓄熱陶瓷內(nèi)，使交換面縮小，吸熱、蓄熱以及放熱能力都會(huì)明顯減弱，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)爐的熱回收能力減弱，甚至無法使用。

2.2 粉塵對(duì)旋轉(zhuǎn)爐壓阻的影響

粉塵堵塞旋轉(zhuǎn)爐的蓄熱陶瓷后，旋轉(zhuǎn)爐的壓損增大，廢氣進(jìn)入爐體內(nèi)的壓力升高，如果廢氣不能及時(shí)進(jìn)入爐體，爐內(nèi)的熱氣不能及時(shí)排出，會(huì)造成爐內(nèi)熱量堆積，影響旋轉(zhuǎn)爐的安全。

2.3 粉塵對(duì)旋轉(zhuǎn)爐內(nèi)溫度探頭的影響

粉塵堆積在旋轉(zhuǎn)爐內(nèi)的溫度偵測(cè)器或壓力偵測(cè)器上會(huì)造成溫度或壓力偵測(cè)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)爐控制紊亂。

2.4 粉塵對(duì)轉(zhuǎn)輪的影響

轉(zhuǎn)輪要利用熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的污染物脫附，如果粉塵堆積在轉(zhuǎn)輪的孔內(nèi)，會(huì)造成多孔狀的轉(zhuǎn)輪堵塞，甚至無法正常使用。

2.5 粉塵對(duì)系統(tǒng)熱交換器的影響

熱交換器一般采用孔板結(jié)構(gòu)或管狀結(jié)構(gòu)，粉塵堆積會(huì)降低換熱效率，影響通氣量。

2.6 粉塵對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響

粉塵堆積在旋轉(zhuǎn)爐內(nèi)的蓄熱陶瓷、轉(zhuǎn)輪以及熱交換器會(huì)造成系統(tǒng)整體性能下降，甚至損壞。同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)壓損升高，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生高正壓氣體段會(huì)導(dǎo)致污染氣體泄漏，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.7 粉塵對(duì)運(yùn)行成本的影響

粉塵堵塞后，系統(tǒng)熱回收效率降低，要想達(dá)到設(shè)定的處理效果，需消耗更多的燃料進(jìn)行熱量的輸出，會(huì)增加運(yùn)行成本，同時(shí)也須加大維修保養(yǎng)的輸出，使維修保養(yǎng)費(fèi)用大幅增加。

2.8 粉塵對(duì)系統(tǒng)處理效率的影響

廢氣進(jìn)入旋轉(zhuǎn)爐內(nèi)的冷卻區(qū)后，與冷卻區(qū)內(nèi)高溫的蓄熱陶瓷接觸后吸收高溫蓄熱陶瓷的熱量，開始進(jìn)行氧化處理，對(duì)后續(xù)提高處理效率起協(xié)助作用。若粉塵堵塞后吸熱效果降低，系統(tǒng)處理效率也會(huì)隨之降低。

對(duì)各液晶面板和半導(dǎo)體工廠的實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有機(jī)廢氣的粉塵造成系統(tǒng)堵塞的問題普遍存在。例如，南京某液晶面板工廠粉塵堵塞造成有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，每季度都要停機(jī)進(jìn)行全面保養(yǎng)；國(guó)內(nèi)最大的某液晶面板工廠每3~5 年就需要更換轉(zhuǎn)輪和燃燒機(jī)的蓄熱陶瓷；南京某芯片制造工廠考慮到有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生粉塵的問題，選型時(shí)僅采用能效較低的直燃爐，同時(shí)縮短維護(hù)保養(yǎng)的周期，以便及時(shí)清理產(chǎn)生的粉塵；針對(duì)國(guó)內(nèi)某工廠轉(zhuǎn)輪事故的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪發(fā)生堵塞，導(dǎo)致氣流不暢，熱量不能及時(shí)順利排出，造成污染物中閃點(diǎn)較低的物質(zhì)燃燒，部分工廠出現(xiàn)過悶燃等安全事故。曾經(jīng)一些工廠也采取過改善措施，如更換蓄熱效果相對(duì)低但孔徑較大的蓄熱陶瓷，但由于蓄熱陶瓷內(nèi)部孔中的粉塵很難清理，維護(hù)保養(yǎng)工作量異常繁重。

3 粉塵的形成機(jī)理

通過對(duì)進(jìn)入有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的所有主要污染物成分（表1、表2）展開分析。

表1 液晶面板陣列工藝有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)主要污染物種類

表2 半導(dǎo)體陣列工藝有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)主要污染物種類

可見，液晶面板和芯片生產(chǎn)過程中都是因?yàn)槠毓夤ば蚴褂昧薍MDS，通過有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)中焚燒處理后產(chǎn)生的SiO2粉塵。

4 解決方案

要找到解決粉塵問題的方案，需要進(jìn)一步解析HMDS 的特性。HMDS 易水解，可放出NH3生成六甲基二硅醚，在堿性環(huán)境下較穩(wěn)定，在中性和酸性環(huán)境下，更易水解且水解的速率更快，其水解反應(yīng)符合一級(jí)反應(yīng)，水解活化能為28.81 kJ/mol[2]。水解后的產(chǎn)物為三甲基硅醇和六甲基二硅氧烷。通過分析以上特性找到了解決有機(jī)廢氣焚燒處理單元粉塵堵塞的有效方案——對(duì)廢氣進(jìn)行更加精細(xì)化的分類以及對(duì)HMDS 進(jìn)行水洗化處理，即在廢氣排放的源頭重新分類，將含有HMDS 的廢氣排放到堿性廢氣處理系統(tǒng)中進(jìn)行處理。堿性廢氣在后端處理的洗滌塔單元加入H2SO4，對(duì)廢氣中的堿性物質(zhì)進(jìn)行中和，酸性環(huán)境也能促進(jìn)HMDS 的水解，對(duì)HMDS 的處理起到促進(jìn)作用，同時(shí)HMDS 水解產(chǎn)生的NH3也能很好地被洗滌液吸收。

5 結(jié)果和分析

南京某液晶工廠有機(jī)廢氣的粉塵問題非常嚴(yán)重，以北側(cè)系統(tǒng)為例，HMDS 濃度為4.3 mg/L，風(fēng)量為130 000 m3/h，每小時(shí)產(chǎn)生SiO2約3 kg，每天產(chǎn)生SiO2約 72 kg，每月產(chǎn)生 SiO2約 2160 kg。成都某新建的液晶工廠同樣使用HMDS，濃度高達(dá)20 mg/L 以上，是南京工廠的5 倍，如將其排放至有機(jī)廢氣系統(tǒng)中則后果更加嚴(yán)重。成都某液晶工廠在建設(shè)初期由于對(duì)廢氣進(jìn)行精細(xì)分類改進(jìn)，將含有HMDS 的廢氣排放至堿性廢氣處理系統(tǒng)中通過酸性溶液進(jìn)行洗滌，促進(jìn)HMDS 分解，達(dá)到了有效處理的目的。目前運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)滿足要求，在滿產(chǎn)后進(jìn)行第三方監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)排放指標(biāo)滿足環(huán)評(píng)及國(guó)家環(huán)保相關(guān)法律法規(guī)的要求，測(cè)試結(jié)果如表3 及表4 所示。

表3 堿性廢氣性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（一）

表4 堿性廢氣性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（二） 單位：mg/m3

經(jīng)過兩年多的滿產(chǎn)運(yùn)行后，打開爐體觀察蓄熱陶瓷的狀態(tài)，無堵塞問題，轉(zhuǎn)輪和旋轉(zhuǎn)爐的壓損也沒有明顯的升高。蓄熱陶瓷如圖2 所示，轉(zhuǎn)輪透光測(cè)試如圖3 所示。

圖2 蓄熱陶瓷

圖3 轉(zhuǎn)輪透光測(cè)試

6 結(jié)語(yǔ)

將HMDS 排放至堿性廢氣處理系統(tǒng)中，在酸性溶液的作用下HMPS 有很好的處理效果，滿足污染物達(dá)標(biāo)排放的要求。實(shí)際應(yīng)用中可結(jié)合排氣風(fēng)量的大小、HMDS 的入口濃度、排放標(biāo)準(zhǔn)等信息調(diào)整洗滌塔的停留時(shí)間、潤(rùn)濕因子以及pH 設(shè)定值等關(guān)鍵參數(shù)，保證對(duì)HMDS 的處理效果。

將有機(jī)廢氣中的HMDS 進(jìn)行分流，在整個(gè)焚燒處理過程中可以解決粉塵堵塞的問題，從而保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、高效的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗、減排的目標(biāo)。

可將芯片制造過程中含有HMDS 的廢氣分類至堿性廢氣處理單元中，其有機(jī)廢氣處理單元就可以考慮使用節(jié)能效果更好的旋轉(zhuǎn)爐，熱回收效率可提高30%，減少燃料的使用，實(shí)現(xiàn)降低能耗、減少碳排放的目的，同時(shí)減少系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)帶來的額外費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)降低企業(yè)生產(chǎn)成本的目的。