王玉兵,李軍冠
(江蘇中電創(chuàng)新環(huán)境科技有限公司,江蘇 無錫 214000)
超純水要求盡可能去除水中的離子、DO(溶解氧)、TOC(總有機(jī)碳)等雜質(zhì),使其成分無限趨近于100%的水分子,25℃時(shí)理論電阻率可達(dá)18.3 MΩ·cm[1],以應(yīng)用于對(duì)水質(zhì)純度要求極高的場合。在半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,超純水主要用于清洗各種產(chǎn)品,其水質(zhì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、性能會(huì)產(chǎn)生重大影響,穩(wěn)定的超純水制備系統(tǒng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)線不可或缺的配套系統(tǒng)之一。
目前,在半導(dǎo)體行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的超純水制備技術(shù)主要有離子交換法和電去離子法(EDⅠ)[2]。其中,離子交換法主要通過離子交換樹脂吸附水中的陰、陽離子,提高電阻率,同時(shí)配置去除DO、降解TOC的裝置,該工藝具有制備水量大、出水水質(zhì)穩(wěn)定、工藝成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、操作難度低、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。
本項(xiàng)目為某半導(dǎo)體行業(yè)配套超純水制備系統(tǒng),地處華南地區(qū),建設(shè)時(shí)間為2021年。超純水(UPW)需水量為200 m3/h、初級(jí)純水(RO水,主要用于冷凍站和鍋爐房補(bǔ)水)需水量為50 m3/h,其中回收水(DⅠR)系統(tǒng)進(jìn)水量為90 m3/h。LOOP(循環(huán))回水率為50%,即回水量為100 m3/h。純水制備系統(tǒng)進(jìn)水水源為市政自來水,DⅠR系統(tǒng)回收水主要為工藝機(jī)臺(tái)處收集的可以用于純水制備的清洗水,進(jìn)、出水主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。UPW主要水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。
表1 進(jìn)、出水主要水質(zhì)指標(biāo)
表2 UPW主要水質(zhì)指標(biāo)
主體材料均選用國內(nèi)外一線品牌,如離心泵-KSB、樹脂-陶氏、UV-Aquafine、RO膜-海德能、脫氣膜-Liquicel、超濾-Nitto Denko、PVDF管道-AGRU、硅計(jì)-Hach、TOC計(jì)-Sivers、顆粒計(jì)-PMS、變頻器-Simens、電纜-遠(yuǎn)東。國外品牌材料來源主要為原裝進(jìn)口,少量為國內(nèi)生產(chǎn)。
根據(jù)本項(xiàng)目水量規(guī)模、水質(zhì)要求、前期投資、運(yùn)行成本等多方面因素,本項(xiàng)目擬采用“離子交換法”作為超純水制備工藝,該工藝路線已經(jīng)過大量實(shí)踐項(xiàng)目驗(yàn)證。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為24 h運(yùn)行,主要設(shè)備采用“3用1備”配置,以滿足系統(tǒng)再生、維護(hù)的需求。系統(tǒng)在4 h無回收水、100%自來水補(bǔ)水情況下,滿足UPW產(chǎn)水水量與水質(zhì)需求。
本超純水制備系統(tǒng)主體工藝流程為前處理系統(tǒng)→MAKE UP系統(tǒng)→拋光系統(tǒng),詳細(xì)說明如下。
2.1.1 前處理系統(tǒng)
2.1.1.1 預(yù)處理系統(tǒng)
預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程為原水池→原水泵→換熱器→多介質(zhì)過濾器(以下簡稱“MMF”)→過濾水池。原水池采用鋼砼結(jié)構(gòu)、內(nèi)部FRP防腐,用于儲(chǔ)存自來水原水,在緊急停水情況下,其儲(chǔ)水量可滿足一定時(shí)間的系統(tǒng)用水需求。原水經(jīng)原水泵輸送至換熱器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),使原水水溫穩(wěn)定在(23±1)℃,投入適當(dāng)比例的絮凝劑和殺菌劑后,進(jìn)入MMF去除懸浮固體(SS),產(chǎn)水進(jìn)入過濾水池。過濾水池(鋼砼結(jié)構(gòu)、內(nèi)部FRP防腐)用于接收、存儲(chǔ)DⅠR回收水。
2.1.1.2 2B3T系統(tǒng)
2B3T系統(tǒng)工藝流程為過濾水池→過濾水泵→活性炭過濾器(以下簡稱“ACF”)→陽床→脫碳塔→脫碳水池→脫碳水泵→陰床→去離子水池(以下簡稱“DⅠW水池”)。
過濾水(含DⅠR回收水)經(jīng)過濾水泵輸送至ACF,活性炭可吸附水中的膠體、余氯和TOC,防止樹脂被氧化和污染。ACF產(chǎn)水進(jìn)入陽床,陽樹脂吸附水中的陽離子,同時(shí)釋放H+,使pH降低,碳酸分解為CO2和水,在脫碳塔中經(jīng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹脫、去除。在陰床中,陰離子與陰樹脂發(fā)生離子交換,釋放的OH-與水中H+反應(yīng)生成水,產(chǎn)水進(jìn)入DⅠW水池。DⅠW水池(鋼砼結(jié)構(gòu)、內(nèi)部FRP防腐)用于接收、存儲(chǔ)后道RO系統(tǒng)產(chǎn)生的RO濃水。
2.1.2 MAKE UP系統(tǒng)
2.1.2.1 RO系統(tǒng)
RO系統(tǒng)工藝流程為DⅠW水池→DⅠW水泵→UV→保安過濾器→RO高壓泵→RO→RO水池。
DⅠW(含RO濃水)通過2B經(jīng)RO供水泵輸送至UV進(jìn)行紫外殺菌,防止RO系統(tǒng)細(xì)菌滋生,經(jīng)保安過濾器(過濾精度5 μm)過濾、降低SDⅠ,由RO高壓泵增壓后,進(jìn)入RO系統(tǒng)進(jìn)一步去除了離子和TOC。RO系統(tǒng)為2段式設(shè)計(jì),回收率可達(dá)90%,出水進(jìn)入RO水池(鋼砼結(jié)構(gòu)、內(nèi)部FRP防腐),水池做氮封處理。
2.1.2.2 混床系統(tǒng)
混床系統(tǒng)工藝流程為RO水池→TOC-UV→MB送水泵→混床(以下簡稱“MB”)→脫氣膜前過濾器→脫氣膜1→UPW水箱。
RO水池一路出水經(jīng)RO供水泵輸送至用水點(diǎn)(50 m3/h),另一路經(jīng)MB送水泵輸送至TOC-UV,水中有機(jī)物在185 nm紫外線作用下分解,然后在MB中分別與陰、陽樹脂進(jìn)行離子交換,進(jìn)一步去除水中的陰、陽離子,出水電阻率可達(dá)18 MΩ·cm以上。MB出水經(jīng)脫氣膜前過濾器(精度0.45 μm)過濾后進(jìn)入脫氣膜,去除水中的DO,產(chǎn)水進(jìn)入U(xiǎn)PW水箱(FRP水箱),對(duì)水箱做氮封處理。UPW水箱同時(shí)用于接收LOOP回水。
2.1.3 拋光系統(tǒng)
拋光系統(tǒng)工藝流程為UPW水箱→循環(huán)水泵→換熱器→TOC-UV2→純水增壓泵→拋光混床→脫氣膜2→終端超濾(以下簡稱“UF”)→用水點(diǎn)。
UPW水箱出水經(jīng)循環(huán)水泵輸送至換熱器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),使水溫穩(wěn)定在(23±1)℃,然后進(jìn)入TOC-UV2進(jìn)一步降低水中的TOC。產(chǎn)水經(jīng)純水增壓泵輸送至拋光混床,在拋光樹脂作用下進(jìn)一步去除水中的陰、陽離子后,由脫氣膜進(jìn)一步去除水中的DO,產(chǎn)水經(jīng)UF過濾后輸送至用水點(diǎn)。
2.1.4 DIR系統(tǒng)
DⅠR系統(tǒng)工藝流程為DⅠR判定水箱→DⅠR輸送水泵1→DⅠR調(diào)節(jié)水箱→DⅠR輸送水泵2→DⅠR UV→DⅠR過濾器→過濾水池。
DⅠR收集箱中的回收水經(jīng)水泵輸送至DⅠR判定水箱暫存,通過在線儀表判定水質(zhì)合格后輸送至DⅠR調(diào)節(jié)水箱,然后進(jìn)入DⅠR系統(tǒng)進(jìn)行處理。為防止系統(tǒng)細(xì)菌滋生,DⅠR系統(tǒng)設(shè)置了UV和過濾器,出水進(jìn)入過濾水池,然后進(jìn)入2B3T系統(tǒng)進(jìn)行處理。
2.1.5 其他系統(tǒng)
為維持主系統(tǒng)正常運(yùn)行,以下系統(tǒng)作為本項(xiàng)目必不可少的有機(jī)組成部分,在設(shè)計(jì)過程中同步配置:MMF反洗再生、ACF反洗再生、化學(xué)品充填存儲(chǔ)及加藥、樹脂再生、氮封,以及與為實(shí)現(xiàn)檢測、輸送、控制等功能而配套的儀表、閥門管道、電控等系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)過程中,在充分滿足純水制備水質(zhì)、水量要求的前提下,結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),兼顧投資經(jīng)濟(jì)性,合理選擇設(shè)備、儀表等系統(tǒng)主要材料。
2.2.1 離心泵
離心泵數(shù)量采用“3+1”配置。根據(jù)工藝要求和工程經(jīng)驗(yàn)確定合適的流量、揚(yáng)程。
根據(jù)介質(zhì)種類,選擇匹配的過流材質(zhì):預(yù)處理系統(tǒng)和2B3T系統(tǒng)的水泵選用泵體鑄鐵/葉輪SS304材質(zhì)(除脫碳塔水泵選用泵體/葉輪SS316材質(zhì)),RO系統(tǒng)和混床系統(tǒng)的水泵選用泵體/葉輪SS304材質(zhì),拋光系統(tǒng)的水泵選用泵體/葉輪SS316材質(zhì)。
本項(xiàng)目為新建項(xiàng)目,平面空間較充裕,優(yōu)先選用臥式泵,同時(shí)考慮檢修方便,選用配置聯(lián)軸器的泵型。
2.2.2 MMF和ACF
MMF和ACF均為碳鋼襯膠罐體,設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa,“3+1”配置,單套處理量為100 m3/h。其中,MMF內(nèi)部裝填無煙煤、石英砂、粗砂,ACF內(nèi)部裝填活性炭、粗砂,濾料裝填量滿足系統(tǒng)24 h運(yùn)行需要。
2.2.3 2B3T
陽床和陰床均為碳鋼襯膠罐體,設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa,“3+1”配置,單套處理量為100 m3/h。單套陽床內(nèi)部裝填弱陽樹脂和強(qiáng)陽樹脂量分別為2 400 L和6 200 L,單套陰床內(nèi)部裝填弱陰樹脂和強(qiáng)陰樹脂量分別為4 600 L和3 800 L。
脫碳塔為FR P罐體,單臺(tái)配置,處理量為300 m3/h,內(nèi)部裝填空心球。
2.2.4 UV和TOC-UV
UV主要用于殺菌,波長為256 nm,SS304材質(zhì);TOC-UV主要用于降解TOC,波長為185 nm,SS316材質(zhì)。燈管使用壽命不小于8 000 h,裝置安裝于整體架臺(tái)上,管道、法蘭、閥門均采用SS304材質(zhì)。
2.2.5 保安過濾器
保安過濾器用于濾除粒徑5 μm以上的顆粒物,防止后道RO堵塞,“3+1”配置,殼體為SS304材質(zhì)。
2.2.6 RO
RO系統(tǒng)共4組(“3+1”配置),單組為2段式設(shè)計(jì)(8+2),每支膜殼裝填6支RO膜,膜殼為FRP材質(zhì),安裝于整體架臺(tái)上。
2.2.7 MB
混床均為碳鋼襯膠罐體,設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa,“3+1”配置,內(nèi)部從上往下依次裝填強(qiáng)陰樹脂和強(qiáng)陽樹脂,陰、陽樹脂裝填量分別為1 800 L和900 L。
2.2.8 脫氣膜前過濾器
脫氣膜前過濾器用于濾除粒徑0.45 μm以上的顆粒物,防止后道脫氣膜堵塞,“2+1”配置,殼體為SS316材質(zhì)。
2.2.9 脫氣膜
脫氣膜1(混床后)共4組(“3+1”配置),單支規(guī)格為14×28′,3支/組;脫氣膜2(拋光混床后)共7組(6+1配置),單支規(guī)格為10×28′,2支/組。脫氣膜安裝于整體架臺(tái)上,配置真空泵、換熱器和汽水分離箱,用于去除溶解氧。
2.2.10 拋光混床
拋光混床主體為SS316,內(nèi)襯PVDF、外部拋光處理,“3+1”配置,內(nèi)部裝填成品拋光樹脂,單臺(tái)裝填量2 400 L。
2.2.11 UF
單只終端UF設(shè)計(jì)處理水量為15 m3/h,采用“20+2”配置,安裝于整體架臺(tái)上,管道、法蘭均采用PVDF材質(zhì)。
為保證FAB終端產(chǎn)品的品質(zhì)和良品率,超純需水水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo),在線檢測儀表作為監(jiān)控水質(zhì)變化的有效手段,是超純水制備系統(tǒng)的重要組成部分。主要儀表配置如表3所示。
表3 主要儀表配置
管道起到連接各單體功能設(shè)備、傳輸介質(zhì)的作用,根據(jù)介質(zhì)種類、潔凈度、腐蝕性和壓力的不同,在不同的工藝段合理選擇不同的管道種類。閥門起到控制通斷、調(diào)節(jié)流量等作用,也是系統(tǒng)不可或缺的一部分,其材質(zhì)選擇同管材相匹配,具體如表4所示。
表4 主要管道、閥門材質(zhì)
本系統(tǒng)按照以下原則設(shè)計(jì):采用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制,整套流程可在上位機(jī)集中監(jiān)控;控制系統(tǒng)分就地控制和遠(yuǎn)程控制;操作站共2套,互為熱備用,通過畫面和鼠標(biāo)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。
室內(nèi)安裝盤柜防護(hù)等級(jí)為ⅠP55,室外安裝盤柜防護(hù)等級(jí)為ⅠP66,板厚不低于2 mm。
基于本系統(tǒng)工藝路線、設(shè)備配置和品牌選擇,對(duì)材料(含設(shè)備、儀表、管閥、電氣系統(tǒng))部分造價(jià)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。
根據(jù)材料種類及來源,將其分為國內(nèi)設(shè)備、進(jìn)口設(shè)備、國內(nèi)儀表、進(jìn)口儀表、國內(nèi)管道、進(jìn)口管道、閥門和電氣系統(tǒng),各部分造價(jià)組成如圖1所示。
圖1 材料部分造價(jià)組成
管材不含LOOP。進(jìn)口材料(設(shè)備、儀表、管道)指原裝進(jìn)口的材料,需經(jīng)海關(guān)入境。其中,進(jìn)口設(shè)備主要有RO膜、UV、TOC-UV、樹脂、脫氣膜、UF;進(jìn)口儀表主要有TOC計(jì)、顆粒計(jì)、硅計(jì)、硼計(jì)、SDⅠ;進(jìn)口管材主要有Clean-PVC、PVDF。
如圖1所示,設(shè)備是材料造價(jià)的主要組成部分(國內(nèi)+進(jìn)口),占比49.95%。其中尤以進(jìn)口設(shè)備為主,占材料總價(jià)的比例為35.54%。設(shè)備是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵,半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)純水水質(zhì)要求高,制備工藝對(duì)所用設(shè)備的性能、材質(zhì)要求非常嚴(yán)苛,多為國際一線品牌,產(chǎn)品品牌溢價(jià)率較高,設(shè)備造價(jià)及占比相應(yīng)較高。
儀表(國內(nèi)+進(jìn)口)占比達(dá)到19.20%,儀表造價(jià)較高,這也是本項(xiàng)目的一個(gè)顯著特點(diǎn)。目前,穩(wěn)定性好、高精度的儀表仍以國外品牌為主,其價(jià)格不菲,造成儀表造價(jià)大幅提高。
管閥(國內(nèi)+進(jìn)口,不含LOOP)合計(jì)占比22.18%,亦為系統(tǒng)造價(jià)的重要組成部分。超純水制備系統(tǒng)內(nèi),使用到的管材材質(zhì)有UPVC、SS304、SS316、Clean-PVC、PVDF、Clear-PVC等。其中,UPVC、SS304管材用量較大,2種管材屬于常用材料,均來源于國內(nèi),其單價(jià)水平相比Clean-PVC、PVDF等材料較低。
電氣系統(tǒng)包含動(dòng)力系統(tǒng)、自控系統(tǒng)和電纜橋架等電氣材料,整體占比8.67%,配件、材料均選用一線品牌,確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
進(jìn)口部分材料造價(jià)合計(jì)占比達(dá)57.61%,大于國內(nèi)部分材料。此外,部分國內(nèi)材料雖然在國內(nèi)生產(chǎn),但仍屬于國外品牌(如離心泵品牌KSB),整體來看,超純水制備系統(tǒng)材料對(duì)國外品牌依賴度極高。
設(shè)備造價(jià)是影響超純水制備材料造價(jià)的主要因素,且設(shè)備具有功能明確、易于劃分到各工藝系統(tǒng)的特點(diǎn),分析各工藝系統(tǒng)的設(shè)備造價(jià)情況,有助于加深對(duì)超純水制備項(xiàng)目造價(jià)的了解。本項(xiàng)目各工藝系統(tǒng)造價(jià)如圖2所示。
圖2 各系統(tǒng)設(shè)備造價(jià)組成
從圖2中可以看出,各工藝系統(tǒng)造價(jià)占比由大到小依次為:拋光>MAKE UP>前處理>DⅠR>化學(xué)品及其他。拋光系統(tǒng)和MAKE UP系統(tǒng)造價(jià)最高,原因是系統(tǒng)設(shè)備以樹脂、脫氣膜、TOC-UV、UF、RO等價(jià)格昂貴的設(shè)備為主;前處理系統(tǒng)中,雖然樹脂使用量較大,但其他主要設(shè)備,如碳鋼罐、離心泵,價(jià)格相對(duì)便宜;DⅠR系統(tǒng)設(shè)備種類、數(shù)量較少,其造價(jià)有限;化學(xué)品及其他系統(tǒng)設(shè)備主要為FRP罐體、磁力泵和計(jì)量泵,價(jià)格較低。
主要設(shè)備造價(jià)組成如圖3所示。從圖中可以看出,設(shè)備部分造價(jià)占比超過5%的設(shè)備有TOC-UV、樹脂、脫氣膜、碳鋼罐、離心泵、UF。其中,TOC-UV、樹脂和脫氣膜造價(jià)合計(jì)占比達(dá)57.77%,3者是決定設(shè)備造價(jià)的主要因素,TOC、電阻率、DO這3個(gè)重難點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo),相應(yīng)核心處理設(shè)備造價(jià)同樣相當(dāng)可觀;碳鋼罐使用大量鋼材,其造價(jià)與鋼材市場價(jià)格相關(guān)性很大,數(shù)量較多,造價(jià)整體占比7.63%;離心泵數(shù)量較多,但其單價(jià)較低,整體造價(jià)占比為6.55%;UF單價(jià)較高,造價(jià)占比5.18%。
圖3 主要設(shè)備造價(jià)組成
離子交換法是超純水制備系統(tǒng)常用的2種成熟工藝路線之一,已在電子、醫(yī)藥、化工等行業(yè)超純水制備系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,也是最適合本項(xiàng)目需求的工藝路線。本文一方面詳述了項(xiàng)目的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備配置,另一方面從材料部分造價(jià)組成、各系統(tǒng)設(shè)備造價(jià)組成、主要設(shè)備造價(jià)組成3個(gè)方面分析了項(xiàng)目造價(jià)情況:設(shè)備是影響材料部分造價(jià)的主要因素,占比接近50%;半導(dǎo)體超純水制備系統(tǒng)核心材料仍以進(jìn)口為主;拋光系統(tǒng)和MAKE UP系統(tǒng)設(shè)備是設(shè)備總造價(jià)的絕對(duì)主體,占比接近70%;TOC-UV、樹脂、脫氣膜價(jià)格昂貴,合計(jì)占設(shè)備總造價(jià)比例接近60%。本項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)、造價(jià)信息可供類似項(xiàng)目參考。