典型集成電路制造建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)中工藝廢氣源強(qiáng)計(jì)算

石 翔

（上海建科環(huán)境技術(shù)有限公司，上海 200032）

污染源源強(qiáng)計(jì)算是建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的重要內(nèi)容[1]，直接決定了污染物達(dá)標(biāo)分析和環(huán)境影響預(yù)測(cè)的可信性。為支持建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)和固定污染源排污許可制度的改革和實(shí)施，生態(tài)環(huán)境部于2018年3月27日發(fā)布實(shí)施 HJ 884—2018《污染源源強(qiáng)核算技術(shù)指南 準(zhǔn)則》，對(duì)污染源源強(qiáng)核算的總體要求、核算程序、核算原則等作出原則性規(guī)定，已陸續(xù)發(fā)布了石油煉制、制藥、農(nóng)藥、汽車(chē)制造、電鍍等共19個(gè)行業(yè)的污染源源強(qiáng)核算技術(shù)指南，尚無(wú)電子工業(yè)的指南。

本文以典型集成電路制造建設(shè)項(xiàng)目為例，通過(guò)工藝廢氣污染源與污染物識(shí)別分析、核算方法及參數(shù)選定、源強(qiáng)計(jì)算等，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和污染物特性，提出了核算方法。

1 污染源源強(qiáng)計(jì)算方法與適用條件

參考 HJ 2.1—2016《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 總綱》、HJ884—2018 及行業(yè)污染源源強(qiáng)核算技術(shù)指南，對(duì)廢氣污染源源強(qiáng)核算主要包括實(shí)測(cè)法、物料衡算法、類(lèi)比分析法、產(chǎn)排污系數(shù)法等。

1.1 實(shí)測(cè)法

實(shí)測(cè)法是指通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定得到的污染物產(chǎn)生或排放相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而核算出污染物單位時(shí)間產(chǎn)生量或排放量的方法，采用式（1）計(jì)算。適用于具有有效自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)有工程污染源，優(yōu)先采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

式中：Dx—核算時(shí)段內(nèi)某種廢氣污染物x的產(chǎn)生/排放量，t；

Cx—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下某種廢氣污染物x的實(shí)測(cè)產(chǎn)生/排放質(zhì)量濃度，mg/m3；

Q—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的廢氣產(chǎn)生/排放量，m3/h；

tx—核算時(shí)段內(nèi)的某種污染物x的產(chǎn)生/排放時(shí)間，h。

1.2 物料衡算法

物料衡算法是指根據(jù)質(zhì)量守恒定律，利用物料數(shù)量或元素?cái)?shù)量在輸入端與輸出端之間的平衡關(guān)系，計(jì)算確定污染物單位時(shí)間產(chǎn)生量或排放量的方法，采用式（2）、式（3）計(jì)算。

污染物產(chǎn)生量物料衡算法的核算公式為：

式中：Dx,產(chǎn)生量—核算時(shí)段內(nèi)某種廢氣污染物x的產(chǎn)生量，t；

Dx,物料投入量—核算時(shí)段內(nèi)投入物料中某種物質(zhì)或元素x的量，t；

Dx,產(chǎn)品產(chǎn)出量—核算時(shí)段內(nèi)進(jìn)入產(chǎn)品中某種物質(zhì)或元素x的量，t；

Dx,回收量—核算時(shí)段內(nèi)進(jìn)入回收產(chǎn)品中某種物質(zhì)或元素x的量，t；

Dx,轉(zhuǎn)化量—核算時(shí)段內(nèi)生產(chǎn)過(guò)程中被分解、轉(zhuǎn)化的某種物質(zhì)或元素x的量，t。

污染物排放量物料衡算法的核算公式如式（3）所示。

式中：Dx,排放量—核算時(shí)段內(nèi)某種廢氣污染物x的排放量，t；

Dx,回收量—核算時(shí)段內(nèi)直接回用/回收于工藝的某種廢氣污染物x的量，t；

Dx,處理量—核算時(shí)段內(nèi)治理措施凈化處理的某種廢氣污染物x的量，t。

1.3 類(lèi)比法

類(lèi)比法是指對(duì)比分析在原輔料及燃料成分、產(chǎn)品、工藝、規(guī)模、污染控制措施、管理水平等方面具有相同或類(lèi)似特征的污染源。利用相關(guān)資料，確定污染物濃度、廢氣量、廢水量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)而核算污染物單位時(shí)間產(chǎn)生量或排放量，或者直接確定污染物單位時(shí)間產(chǎn)生量或排放量的方法。適用于符合類(lèi)比原則且能獲取類(lèi)比對(duì)象有效實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況。

1.4 產(chǎn)排污系數(shù)法

產(chǎn)排污系數(shù)法是指根據(jù)不同的原輔料及燃料、產(chǎn)品、工藝、規(guī)模和治理措施，選取同類(lèi)污染源調(diào)查獲取的反映行業(yè)污染物產(chǎn)生或排放規(guī)律的產(chǎn)污系數(shù)，依據(jù)單位時(shí)間產(chǎn)品產(chǎn)量計(jì)算出污染物產(chǎn)生量或直接核算污染物單位時(shí)間排放量的方法，采用式（4）計(jì)算。適用于缺失或無(wú)有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下。其中，產(chǎn)污系數(shù)指未采用治理措施情況下產(chǎn)生量，需根據(jù)治理措施的處理效率計(jì)算得到排放量。排污系數(shù)則已包含治理措施的處理效率，直接計(jì)算可得到排放量。

式中：Dx—核算時(shí)段內(nèi)某種廢氣污染物x的產(chǎn)生/排放量；

M—生產(chǎn)系數(shù)，如單位產(chǎn)品產(chǎn)量等；

βx—廢氣中某種污染物x的產(chǎn)生或排放系數(shù)。

2 典型案例廢氣源強(qiáng)計(jì)算

2.1 工藝廢氣污染源識(shí)別與污染物確定

2.1.1 工程概況

本文所述典型案例的行業(yè)類(lèi)別屬“C3973集成電路制造”，為改擴(kuò)建項(xiàng)目，主體工程為65nm 及以下12英寸集成電路芯片生產(chǎn)線(xiàn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能 3.8 萬(wàn)片/月。

生產(chǎn)工藝主要包括清洗、擴(kuò)散、離子注入、光刻、濕法刻蝕、干法刻蝕、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、化學(xué)機(jī)械研磨、銅制程等基本工序。使用的主要原輔材料包括硅片、靶材、特氣、化學(xué)試劑等四大類(lèi)上百個(gè)品種，燃料為天然氣。

2.1.2 工藝廢氣污染源識(shí)別

此案例的生產(chǎn)過(guò)程在潔凈室內(nèi)密閉機(jī)臺(tái)自動(dòng)操作，特氣暫存及供應(yīng)設(shè)密閉特氣柜，化學(xué)品設(shè)集中供應(yīng)間，并全部設(shè)負(fù)壓集氣管路，基本沒(méi)有無(wú)組織源，工藝廢氣均為有組織源。

參考 HJ 1031—2019《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范 電子工業(yè)》，識(shí)別工藝廢氣產(chǎn)污環(huán)節(jié)主要為清洗、擴(kuò)散、離子注入、光刻、濕法刻蝕、干法刻蝕、化學(xué)氣相沉積、化學(xué)機(jī)械研磨、銅制程、特氣及化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)。

該行業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)是各基本工序經(jīng)過(guò)多層多次反復(fù)處理，實(shí)際達(dá)到幾百道左右的工藝步數(shù)，共同組成芯片生產(chǎn)的全過(guò)程。生產(chǎn)設(shè)備繁多、按工藝布置，但不同工序之間前后具有關(guān)聯(lián)性，故建議將工藝廢氣按性質(zhì)統(tǒng)一進(jìn)行分類(lèi)收集，而不是按單一工序收集。主要?jiǎng)澐譃樗嵝詮U氣、堿性廢氣、有機(jī)廢氣、酸性粉塵廢氣、特殊工藝尾氣和特氣及化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)廢氣等。

廢氣分類(lèi)收集后，采取分質(zhì)處理，其中特殊氣體工藝尾氣先經(jīng)設(shè)備自帶特氣處理系統(tǒng)（POU）預(yù)處理，其對(duì)特氣的去除效率較高（工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)約 ≥ 99%），且特氣預(yù)處理后會(huì)轉(zhuǎn)化為含 HCl、HF、含氣溶膠（SiO2）等的穩(wěn)定氣體，再與其他同質(zhì)廢氣就近匯總，最終設(shè)置集中末端處理措施。

2.1.3 工藝廢氣污染物確定

根據(jù)原輔料使用和生產(chǎn)工藝情況，選取適用的 DB 31/374—2006《半導(dǎo)體行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、DB 31/933—2015《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的污染因子，并參考 HJ 1031—2019《排污許可證申請(qǐng)與核發(fā)技術(shù)規(guī)范 電子工業(yè)》中的典型污染物，識(shí)別主要廢氣污染物為硫酸霧、硝酸霧、磷酸霧、HCl、HF、Cl2、NH3、AsH3、PH3、顆粒物、NOx、NMHC、TVOC 以及異丙醇、丙酮等有機(jī)特征污染物。

廢氣處理過(guò)程中，因使用燃料天然氣，末端排氣筒中還會(huì)涉及少量顆粒物、SO2以及 NOx的排放。按天然氣燃燒的顆粒物和 SO2的產(chǎn)污系數(shù)估算，末端排氣筒中天然氣燃燒產(chǎn)生的顆粒物和 SO2的排放濃度在 10-3～10-1mg/m3水平，均低于各自的檢測(cè)限。此外，酸性廢氣或酸性粉塵廢氣集中處理系統(tǒng)均采用堿液吸收，循環(huán)液中含有溶解性總固體成分，隨水分蒸發(fā)，顆粒物的測(cè)定會(huì)受到干擾，加之天然氣燃燒本身顆粒物排放量較小，易引起監(jiān)測(cè)結(jié)果的失真。從污染物排放水平、檢測(cè)結(jié)果亦受到干擾引起失真等綜合考慮，本案例對(duì)酸性廢氣、有機(jī)廢氣和酸性粉塵廢氣排氣筒中不再識(shí)別因天然氣燃燒而產(chǎn)生的顆粒物和 SO2。

主要工藝廢氣污染源及其污染物識(shí)別如表1所示。

表1 典型案例工藝廢氣污染源及污染物識(shí)別

2.2 核算方法及參數(shù)選定

集成電路芯片生產(chǎn)多數(shù)為代加工性質(zhì)，產(chǎn)能隨訂單和季度波動(dòng)，產(chǎn)品特性依客戶(hù)需求而定，基本工序的處理層數(shù)或次數(shù)、原輔材料的耗量均會(huì)有所變化。該行業(yè)的廢氣污染物的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較大波動(dòng)性，不同工廠(chǎng)之間難以滿(mǎn)足類(lèi)比條件。

對(duì)磷酸霧、硝酸霧、AsH3、PH3等污染物而言，目前尚無(wú)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，無(wú)法通過(guò)實(shí)測(cè)法計(jì)算。NOx和顆粒物為處理過(guò)程轉(zhuǎn)化產(chǎn)生，難以定量，不適宜采用物料衡算法。

對(duì) TVOC 而言，目前尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，而現(xiàn)有的 NMHC 或 VOCs 監(jiān)測(cè)方法難以覆蓋全部的 VOCs[2]，特別是芯片制造行業(yè)涉及的揮發(fā)性有機(jī)物種類(lèi)較多，涵蓋酮類(lèi)、醇類(lèi)、酯類(lèi)、醚類(lèi)等，現(xiàn)有的 NMHC 監(jiān)測(cè)方法存在 FID 檢測(cè)器的響應(yīng)因子、有效碳數(shù)及含氧元素等雜原子等問(wèn)題[3]，監(jiān)測(cè)結(jié)果往往小于實(shí)際的揮發(fā)性有機(jī)物總和。對(duì)硫酸霧、氯化氫、氟化氫、氨等污染物而言，現(xiàn)有項(xiàng)目的產(chǎn)量未達(dá)設(shè)計(jì)產(chǎn)能，加之?dāng)U建后的產(chǎn)品特性發(fā)生變化，類(lèi)比現(xiàn)有項(xiàng)目的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估算改擴(kuò)建后項(xiàng)目工藝廢氣的污染物源強(qiáng)，不具有很好的代表性。故本案例同時(shí)采用物料衡算法和類(lèi)比法，計(jì)算 NMHC、TVOC、硫酸霧、HCl 和 HF 的源強(qiáng)，最終選取其中的保守值。

各污染物的核算方法及關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 典型案例工藝廢氣污染物核算方法及主要參數(shù)

2.3 源強(qiáng)計(jì)算

采用物料衡算法時(shí)，根據(jù)各原輔材料的成分及濃度占比，采用敞露物料或酸霧散發(fā)量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)值得到揮發(fā)損失率；再結(jié)合污染治理措施的去除效率，計(jì)算得到排放源強(qiáng)。

采用實(shí)測(cè)法時(shí)，類(lèi)比現(xiàn)有工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按產(chǎn)能比例折算確定改擴(kuò)建后的排放源強(qiáng)；再結(jié)合污染治理措施的去除效率，反推計(jì)算其產(chǎn)生源強(qiáng)。典型案例工藝廢氣污染物源強(qiáng)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，物料衡算法計(jì)算的硫酸霧、HF、HCl、NH3的排放濃度在實(shí)測(cè)濃度的波動(dòng)范圍內(nèi)，而 NMHC 和 TVOC 的計(jì)算值高于實(shí)測(cè)值。物料衡算法計(jì)算的排放速率偏高于實(shí)測(cè)法，其計(jì)算結(jié)果較為保守。

表3 典型案例工藝廢氣污染物源強(qiáng)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

集成電路芯片制造建設(shè)項(xiàng)目涉及的原輔材料繁多，各基本工序經(jīng)多層多次反復(fù)處理形成芯片生產(chǎn)的全過(guò)程。該行業(yè)多數(shù)為代加工性質(zhì)，產(chǎn)能和產(chǎn)品特性依客戶(hù)需求而定，基本工序的處理層數(shù)/次數(shù)以及原輔材料的耗量會(huì)發(fā)生變化，工藝廢氣污染物的源強(qiáng)波動(dòng)較大，不同項(xiàng)目之間類(lèi)比法難以適用，且尚無(wú)行業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)，故工藝廢氣源強(qiáng)適宜采用物料衡算法和實(shí)測(cè)法計(jì)算。

在實(shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)、廢氣污染源和污染物特性的不同，選擇合適的源強(qiáng)核算方法，以提高其適用性和準(zhǔn)確性。磷酸霧、硝酸霧、砷化氫、磷化氫等因子，現(xiàn)階段尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家檢測(cè)方法，可采用物料衡算法計(jì)算。NOx和顆粒物為處理過(guò)程轉(zhuǎn)化產(chǎn)生，難以定量，宜采用實(shí)測(cè)法。硫酸霧、氯化氫、氟化氫、氨、TVOC、NMHC 等因子，實(shí)測(cè)法和物料衡算法均適用，但物料衡算法較為保守。