北京市电子工业VOCs排放特征及行业排放强度对比
2021-06-23崔阳阳李家毅曹西子丁淮剑薛亦峰
崔阳阳, 周 震, 闫 静, 李家毅, 全 京, 曹西子, 丁淮剑, 薛亦峰*
1.北京市环境保护科学研究院, 国家城市环境污染控制工程技术研究中心, 北京 100037 2.中国电子工程设计院有限公司, 北京 100840 3.北京京东方光电科技有限公司, 北京 100176
北京市作为中国首都和特大型城市,其空气质量是社会关注的焦点. 为改善空气质量,北京市自1998年起采取了一系列的大气污染控制措施,包含能源结构和工业结构的调整和优化. 在工业产业发展方面,北京市制定《鼓励发展的高精尖产品目录》《新增产业的禁止和限制目录》来调节工业发展方向,逐步淘汰和退出高能耗、高污染排放的产业,鼓励发展技术水平高、附加值高和污染排放少的工业行业[1-7]. 在此背景下,具有技术密集和附加值高特点的电子工业在北京市得到较大发展,同时限制了如家具制造、印刷等污染排放较大的传统溶剂使用行业的发展,使北京市工业结构发生了较大的变化. 因此,为印证工业结构调整所产生的环境效益,开展电子工业污染排放特征研究及与其他典型溶剂使用源排放强度的对比分析十分必要.
目前,国内外对于电子工业VOCs污染排放研究较少,美国环境保护局(US EPA)和欧洲经济区(EEA)排放清单指南均未推荐电子工业VOCs排放因子. 部分学者对于电子工业子类别开展了VOCs排放特征及控制对策研究,如张世豪等[8]分析中国显示器件行业VOCs排放特征,并提出了相应控制对策;肖景方等[9]以印刷电路板为研究对象,通过样品溶剂解吸分析,获得了产品VOCs排放特征;徐捷等[10]采用工艺调查与现场监测结合的方法,研究了电子半导体行业VOCs排放水平;崔阳阳等[11]对中国集成电路VOCs排放特征及控制对策进行了研究;Baek等[12]对韩国鱼尾市2003—2011年电子工业VOCs排放浓度变化趋势进行研究. 但对于整个电子工业VOCs排放状况及与其他溶剂使用行业排放强度比较分析的研究较少,不足以产生对工业结构调整的启发和建议.
为更好地掌握北京市电子工业VOCs排放特征及与其他溶剂使用行业的排放差异,笔者通过实际监测,识别电子工业有组织和无组织VOCs排放水平,采用产污系数法并结合集气效率和去除效率,核算2019年北京市电子工业VOCs排放量和各子行业的排放贡献,并与其他典型溶剂使用行业的VOCs排放强度进行对比分析,以期为工业结构调整提供启发和建议.
1 材料与方法
1.1 研究对象
电子工业是制造电子设备、电子元件、电子器件及其专用原材料的工业部门,包括电子专用材料制造、电子元件、电子器件和电子终端产品生产等[13-14]. 电子工业生产过程会产生有机废气、酸性废气、碱性废气以及含尘废气. 有机废气主要来源于有机溶剂清洗、光刻、显影、涂胶、剥离等工序大量使用的有机溶剂的挥发[15-17]. 产生的有机废气未经收集,通过溶剂储罐装卸及储存、清洗废水处理等环节逸散排入大气的为无组织排放;一部分有机废气经收集后,通过VOCs控制技术净化后排入大气的为有组织排放[18-20]. 电子工业VOCs排放环节如图1所示.
图1 电子工业VOCs排放环节Fig.1 VOCs emissions of electronics industry
根据调查,北京市约有148家电子工业企业,其中电子元件制造、电子器件制造、电子设备制造、通信设备制造和计算机制造分别占企业总数的31%、27%、16%、13%和10%,其他行业占比为3%〔见图2(a)〕. 电子工业企业主要集中在北京市功能拓展区和经济技术开发区,与这些区域技术人员密集、工业配套设施齐全有关〔见图2(b)〕. 电子工业产值占全市总产值的4.2%,单个企业平均工业产值较高.
图2 北京市电子工业企业行业分布和空间分布Fig.2 Distribution of electronics industry enterprises and spatial distribution of Beijing
1.2 VOCs排放监测
为识别电子工业有组织VOCs排放水平,于2019年10—11月选取电子器件制造、电子元件制造中4个子类别(集成电路制造、显示器件制造、电子专用材料制造以及半导体分立器件制造)11家典型企业进行VOCs排放实际监测. 采用气袋法采集样品,为避免气袋内原有空气对测试结果的影响,采样前使用氮气对气袋清洗至少3次,并使用气袋式真空采样箱(Model 1062,美国瑞斯泰克公司)进行样品采集. 有组织VOCs排放监测按照HJ 732—2014《固定污染源废气挥发性有机物的采样 气袋法》分时段对废气进行采样,采集到的样品避光处理后送至实验室,在24 h内利用气相色谱质谱联用仪(Agilent 7890A-5975C,美国安捷伦公司)进行样品分析[8]. 按照HJ/T 55—2000《大气污染物无组织排放监测技术导则》要求对各典型企业厂界外上风向设置1个参照点,下方向厂界外10 m范围内设置4个监控点,实行连续1 h的采样,获得其无组织VOCs排放浓度水平. 共采集有组织排放数据样本34组,无组织排放数据样本36组.
在实际监测过程中由于洁净房的要求,产生的VOCs不易到达净化装置的进口,未对进口VOCs浓度进行监测,故废气集气效率和去除效率根据调查企业废气收集、净化装置类别进行判定. 其收集和去除效率来自《挥发性有机物排污费征收细则》[21]提供的各类型的集气效率及去除效率. 现场调研方法为调查人员携带制作好的调查表(包括企业基本信息、辅料使用情况、废气收集装置类型及废气治理装置类型等信息)到企业,结合现场情况及与企业座谈的情况进行填写.
1.3 VOCs排放量核算
采用产污系数法进行电子工业VOCs产生量的核算,通过各工段原辅料使用情况结合产污系数计算VOCs产生量,并根据企业集气效率、去除效率通过物料衡算法计算相应有组织和无组织排放量,最后汇总得到北京市电子工业VOCs排放量. 产污系数来自《计算机、通信和其他电子设备制造行业系数手册》提供的系数[22](见表1),排放量核算公式:
表1 电子工业各工段VOCs产生系数
[Pi×Mi×(1-αi)]
(1)
式中:E为VOCs排放量,g;Pi为工段i对应的VOCs产生系数,g/kg (以有机溶剂使用量计);Mi为工段i有机溶剂使用量,kg;ηi为工段i控制技术的平均去除效率,%;αi为工段i废气收集效率,%. 废气收集效率和去除效率根据各企业实际情况调研确定.
2 结果与讨论
2.1 电子工业VOCs排放特征
电子工业生产涉及电子元器件、电子专用材料及电子终端产品等多种产品类型. 使用有机溶剂的环节包括光刻、清洗和剥离,有机溶剂类型主要为光刻胶、稀释剂、异丙醇或丙酮等清洗剂和去除剂. 根据对电子工业企业原辅料使用情况调研,结合主要生产环节有机溶剂使用强度,获得了其有机物料使用和废气产生的规律和特点(见图3). 由图3可见,电子工业有机溶剂使用分布上,光刻胶、稀释剂、清洗剂和去除剂分别占3%、81%、6%和10%,有机物料进入产品、废液和产生废气的比例分别为71%、13%、16%. 有机废气中无组织排放和有组织排放分别占40%~50%、50%~60%.
图3 有机溶剂使用及废气产生规律Fig.3 Organic solvent usage and exhaust gas generation law
对于电子工业有组织VOCs排放水平,根据对4个重点行业11家典型企业有机废气排放口的监测结果显示,VOCs平均排放浓度为2.3 mg/m3(见图4),低于DB11/ 1631—2019《北京市电子工业大气污染物排放标准》第I时段排放限值(20 mg/m3). 在采用转轮浓缩+焚烧、催化燃烧+蓄热式燃烧等高效的末端控制技术后[23],电子工业VOCs有组织排放浓度较低,但有机废气量较大(平均值为2.56×104m3/h). 不同行业VOCs排放浓度有一定的差异,主要与其采用的控制技术不同有关.
图4 主要电子工业有组织VOCs排放水平Fig.4 Emission levels of organized VOCs for major electronics industries
同样在典型电子工业企业厂界上风向设置1个参照点,下方向厂界外10 m范围内设置4个监控点,对无组织VOCs排放水平进行监测,结果显示,VOCs无组织排放浓度为0.4~2.3 mg/m3,平均值为1.1 mg/m3(见图5),略超过DB11/ 501—2017《北京市大气污染物综合排放标准》中无组织VOCs排放浓度限值(1 mg/m3),需要引起足够的重视. 电子工业生产过程中存在较多的VOCs无组织排放环节,从产品生产中各类有机溶剂的使用到有机溶剂的转运、储存、生产废水中VOCs的逸散等多个环节都存在无组织排放情况[24],导致VOCs无组织排放浓度较高.
图5 主要电子工业无组织VOCs排放水平Fig.5 Emission levels of unorganized VOCs for major electronics industries
2.2 电子工业VOCs排放量及子行业排放贡献
根据1.3节中排放量核算方法,得到2019年北京市电子工业VOCs排放量为 1 542 t (见图6),约占北京市人为源VOCs排放总量的1%[25],低于工业产值贡献比例,具有产值高、污染小的特点,生产相对清洁. 通常情况下,电子工业可分为上、中、下游3个层次,中游产业主要包括半导体器件、显示器件等电子器件及电子元件等多种电子产品制造,上、下游则主要涵盖了一些电子产品组装工业及产品原材料的提供,VOCs排放环节较少,因此电子工业VOCs主要集中在产业中游,且产品产量较大,是电子工业VOCs的主要来源. 电子器件制造属于中游产业,主要包含集成电路、显示器件等产品制造,VOCs排放量占比较大,其中显示器件制造年排放量为 1 088 t,约占电子工业VOCs排放总量的71%,集成电路制造行业年排放量为277 t,约占电子工业VOCs排放总量的18%.
图6 2019年北京市电子工业各子行业VOCs排放量及贡献比例Fig.6 VOCs emissions and contribution of various sub-industies of Beijing, 2019
尽管电子器件制造行业涉及企业数量仅占北京市电子工业企业总量的27%,但由于行业涉及4家大型有机溶剂使用企业,占电子工业大型有机溶剂使用企业总数的66.7%,行业有机溶剂年使用量达8 577 t,约占电子工业有机溶剂使用总量的90%,使得行业排放贡献进一步加大. 因此,在未来电子工业的发展规划与VOCs减排工作的进行中,应适当调整上、中、下游产业企业所占比重,在产业链供应不受影响的前提下,适当减少中游产业企业数量;同时对生产中有机溶剂使用量大的产品,在其生产工段积极选择低挥发性有机溶剂进行替代生产,并进一步加大行业去除效率和废气收集效率,对生产不规范的企业加大整改力度,督促其使用集气和去除效率更高的废气收集和治理设施,降低VOCs排放量.
2.3 与其他溶剂使用行业排放强度对比
电子工业具有技术密集和附加值较高的特点[26-27],通过采取有效的废气收集和控制技术,有组织VOCs排放水平能得到大幅降低. 为说明电子工业在典型溶剂使用行业中的污染排放程度,该研究对比电子工业、家具制造、印刷行业单位GDP的VOCs排放强度(见图7).
图7 典型溶剂使用行业VOCs排放强度对比Fig.7 Comparison of VOCs emission intensity of typical solvent industries
根据环境统计数据获取各行业有机溶剂年使用量及行业GDP[28],从而计算行业排放强度. 由图7可见,电子工业VOCs排放强度(25.5 kg/t)远小于家具制造(433 kg/t)和印刷行业(233 kg/t)等传统溶剂使用行业,这主要是由于电子工业与传统溶剂使用行业相比,有机溶剂使用总量较小,且电子工业所使用的有机溶剂的挥发性与家具制造、印刷行业所使用的油墨、油漆等有机溶剂相比小得多,因此排放强度较小. 电子工业单位GDP的VOCs排放强度更低,为 8×10-4kg/(108t·元),分别是家具制造和印刷行业的1/2 750 和1/3 250. 因此,从行业VOCs排放强度的对比结果来看,电子工业相对较为清洁,在创造同样的工业产值情况下,VOCs排放量较少,能够符合北京市依靠科技发展、绿色发展的产业定位,也印证了调整北京市工业结构能够取得良好的污染减排效果.
2.4 对工业结构调整的启示和建议
北京市加快了产业结构调整升级,推进高污染、高耗能行业的淘汰进程,当前冶炼及热轧工序全面停产,焦化厂及部分石化公司有机化工厂等有污染的化工企业全部搬迁或原址停产[29-32],同时开展了小化工企业的结构调整工作,关停部分中小型石膏板厂及玻璃厂等,大力发展技术密度性和附加值高的工业类型,取得了显著成效[33-35]. 截至2019年,北京市空气质量达标(优和良)天数为240 d,达标比例为65.8%,比2013年增加64 d[36],工业结构的调整对于污染减排和空气质量改善扮演了重要的作用. 该研究通过上述行业VOCs排放强度对比及电子工业VOCs排放特点分析,可以看到北京市工业发展已逐步从传统溶剂使用行业向相对清洁的工业行业进行转变,从而有效地推动了大气污染物的减排.
对于其他地区进行工业结构调整和优化的几点启示:①要统筹行业污染排放绩效和地区经济基础,将各行业排放强度综合对比分析结果作为行业筛选依据之一,逐步限制发展排放绩效低的工业类别,鼓励发展相对清洁、技术密集型和附加值高的行业类别发展,从而实现地区工业结构向绿色低排放转型. ②电子工业虽然相对其他行业VOCs排放较少,但电子工业内子类别也较多,也存在排放差异性,需要进一步应用综合规划、环境管理制度、行业政策、经济政策等多种手段,调节电子工业结构和子行业的发展.
对于电子工业VOCs防治的几点建议:①针对性地建立电子工业VOCs污染防治工作方案和总体规划,提出中、长期电子工业VOCs削减目标和计划. ②严格新建电子工业企业建设项目的环境准入,控制新增污染物排放量,对进入工业园区的新建电子工业企业进行污染综合治理. 从整体出发,实现产业集群与园区之间的高效对接,将集成电路制造、显示器件制造等重点VOCs排放子行业与节能环保产业进行对接,提高资源利用效率,减少VOCs排放.
3 结论
a) 通过电子工业与其他行业的VOCs排放强度对比发现,电子工业与传统溶剂使用行业相比较为清洁,其单位工业产值VOCs排放强度仅为家具制造、印刷行业的1/2 750 和1/3 250,具有产值高、VOCs污染排放强度低的特点,反映了工业结构调整对于空气质量改善的作用.
b) 尽管电子工业较为清洁,但仍具有污染减排空间. 对其VOCs排放构成的分析中发现,显示器件制造、集成电路制造等行业类别VOCs排放占比较大,分别为71%和18%,有组织排放仍占主导,无组织排放贡献逐年上升. 可从源头的溶剂替代、有机废气收集效率的提高等方面降低其VOCs排放,并加强电子工业产业布局和结构优化.
c) 对于其他城市工业结构调整的启示:应根据各自城市发展及经济水平,在条件允许的前提下逐步限制发展排放绩效较好的工业类别,鼓励发展相对清洁、技术密集型和附加值高的行业类别,促进空气质量的持续改善.
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