有机废气系统焚烧粉尘控制方法的研究

2022-03-24周莉

低碳世界 2022年1期

周莉

（南京京东方显示技术有限公司，江苏南京 210033）

0 引言

液晶面板和芯片的生产过程中排放的有机废气具有排放量大、浓度低、成分复杂和连续排放的特点，排放的污染物包括丙酮、异丙醇、乙二醇、酯类以及六甲基二硅氮烷（HMDS）等，这些物质沸点分布广、有一定热值、闪点低，因而行业内采用焚烧处理是一种比较理想的方式。通常先采用浓缩转轮进行浓缩，再进行高温焚烧氧化处理，该方法对污染物处理效率较高，能达到99.5%以上[1]。

废气经焚烧处理后具有较高热量，直接排放会污染环境，故应用时会考虑对热量进行回收。焚烧处理工艺中早期使用直燃炉，随着技术的发展和节能环保要求的不断提高，后来增设塔式炉，进而发展成为旋转炉。以上3 种炉型燃烧温度都相同，只是塔式炉和旋转炉使用了耐高温的蓄热材料，它们的热回收效率分别为65%、90%、95%。转轮+旋转炉工艺因其稳定性高、处理效率高、节能效果最佳、占地面积最小等特点本应成为面板和半导体行业有机废气处理的优选方案，但由于焚烧过程中伴生大量粉尘使得系统运行困难，因此受到极大限制。塔式炉也面临一样的问题，而直燃炉由于没有蓄热材料会略好。

1 转轮、旋转炉

转轮的材质一般采用沸石。旋转炉分成顶部燃烧室、蓄热层及分配气缸3 个核心单元，蓄热层填充蓄热陶瓷。由于转轮和燃烧室都使用节能和吸附效果好的蜂巢结构，粉尘易堆积于这些蜂巢结构中，对其性能造成不利影响。蓄热陶瓷堵塞状态如图1所示。

图1 蓄热陶瓷堵塞状态

2 粉尘对处理工艺的影响

2.1 粉尘对旋转炉热回收的影响

粉尘堆积在旋转炉内的多细孔蓄热陶瓷内，使交换面缩小，吸热、蓄热以及放热能力都会明显减弱，导致旋转炉的热回收能力减弱，甚至无法使用。

2.2 粉尘对旋转炉压阻的影响

粉尘堵塞旋转炉的蓄热陶瓷后，旋转炉的压损增大，废气进入炉体内的压力升高，如果废气不能及时进入炉体，炉内的热气不能及时排出，会造成炉内热量堆积，影响旋转炉的安全。

2.3 粉尘对旋转炉内温度探头的影响

粉尘堆积在旋转炉内的温度侦测器或压力侦测器上会造成温度或压力侦测不准确，导致旋转炉控制紊乱。

2.4 粉尘对转轮的影响

转轮要利用热量进行转轮的污染物脱附，如果粉尘堆积在转轮的孔内，会造成多孔状的转轮堵塞，甚至无法正常使用。

2.5 粉尘对系统热交换器的影响

热交换器一般采用孔板结构或管状结构，粉尘堆积会降低换热效率，影响通气量。

2.6 粉尘对系统稳定的影响

粉尘堆积在旋转炉内的蓄热陶瓷、转轮以及热交换器会造成系统整体性能下降，甚至损坏。同时，系统内压损升高，系统内产生高正压气体段会导致污染气体泄漏，影响系统稳定性。

2.7 粉尘对运行成本的影响

粉尘堵塞后，系统热回收效率降低，要想达到设定的处理效果，需消耗更多的燃料进行热量的输出，会增加运行成本，同时也须加大维修保养的输出，使维修保养费用大幅增加。

2.8 粉尘对系统处理效率的影响

废气进入旋转炉内的冷却区后，与冷却区内高温的蓄热陶瓷接触后吸收高温蓄热陶瓷的热量，开始进行氧化处理，对后续提高处理效率起协助作用。若粉尘堵塞后吸热效果降低，系统处理效率也会随之降低。

对各液晶面板和半导体工厂的实际调查发现，有机废气的粉尘造成系统堵塞的问题普遍存在。例如，南京某液晶面板工厂粉尘堵塞造成有机废气处理系统无法正常运行，每季度都要停机进行全面保养；国内最大的某液晶面板工厂每3~5 年就需要更换转轮和燃烧机的蓄热陶瓷；南京某芯片制造工厂考虑到有机废气处理系统会产生粉尘的问题，选型时仅采用能效较低的直燃炉，同时缩短维护保养的周期，以便及时清理产生的粉尘；针对国内某工厂转轮事故的调查发现，转轮发生堵塞，导致气流不畅，热量不能及时顺利排出，造成污染物中闪点较低的物质燃烧，部分工厂出现过闷燃等安全事故。曾经一些工厂也采取过改善措施，如更换蓄热效果相对低但孔径较大的蓄热陶瓷，但由于蓄热陶瓷内部孔中的粉尘很难清理，维护保养工作量异常繁重。

3 粉尘的形成机理

通过对进入有机废气处理系统的所有主要污染物成分（表1、表2）展开分析。

表1 液晶面板阵列工艺有机废气处理系统主要污染物种类

表2 半导体阵列工艺有机废气处理系统主要污染物种类

可见，液晶面板和芯片生产过程中都是因为曝光工序使用了HMDS，通过有机废气处理系统中焚烧处理后产生的SiO2粉尘。

4 解决方案

要找到解决粉尘问题的方案，需要进一步解析HMDS 的特性。HMDS 易水解，可放出NH3生成六甲基二硅醚，在碱性环境下较稳定，在中性和酸性环境下，更易水解且水解的速率更快，其水解反应符合一级反应，水解活化能为28.81 kJ/mol[2]。水解后的产物为三甲基硅醇和六甲基二硅氧烷。通过分析以上特性找到了解决有机废气焚烧处理单元粉尘堵塞的有效方案——对废气进行更加精细化的分类以及对HMDS 进行水洗化处理，即在废气排放的源头重新分类，将含有HMDS 的废气排放到碱性废气处理系统中进行处理。碱性废气在后端处理的洗涤塔单元加入H2SO4，对废气中的碱性物质进行中和，酸性环境也能促进HMDS 的水解，对HMDS 的处理起到促进作用，同时HMDS 水解产生的NH3也能很好地被洗涤液吸收。

5 结果和分析

南京某液晶工厂有机废气的粉尘问题非常严重，以北侧系统为例，HMDS 浓度为4.3 mg/L，风量为130 000 m3/h，每小时产生SiO2约3 kg，每天产生SiO2约 72 kg，每月产生 SiO2约 2160 kg。成都某新建的液晶工厂同样使用HMDS，浓度高达20 mg/L 以上，是南京工厂的5 倍，如将其排放至有机废气系统中则后果更加严重。成都某液晶工厂在建设初期由于对废气进行精细分类改进，将含有HMDS 的废气排放至碱性废气处理系统中通过酸性溶液进行洗涤，促进HMDS 分解，达到了有效处理的目的。目前运行稳定，各项参数满足要求，在满产后进行第三方监测，各项排放指标满足环评及国家环保相关法律法规的要求，测试结果如表3 及表4 所示。