有機廢氣系統焚燒粉塵控制方法的研究

周 莉

（南京京東方顯示技術有限公司，江蘇 南京 210033）

0 引言

液晶面板和芯片的生產過程中排放的有機廢氣具有排放量大、濃度低、成分復雜和連續排放的特點，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，這些物質沸點分布廣、有一定熱值、閃點低，因而行業內采用焚燒處理是一種比較理想的方式。通常先采用濃縮轉輪進行濃縮，再進行高溫焚燒氧化處理，該方法對污染物處理效率較高，能達到99.5%以上[1]。

廢氣經焚燒處理后具有較高熱量，直接排放會污染環境，故應用時會考慮對熱量進行回收。焚燒處理工藝中早期使用直燃爐，隨著技術的發展和節能環保要求的不斷提高，后來增設塔式爐，進而發展成為旋轉爐。以上3 種爐型燃燒溫度都相同，只是塔式爐和旋轉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%。轉輪+旋轉爐工藝因其穩定性高、處理效率高、節能效果最佳、占地面積最小等特點本應成為面板和半導體行業有機廢氣處理的優選方案，但由于焚燒過程中伴生大量粉塵使得系統運行困難，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略好。

1 轉輪、旋轉爐

轉輪的材質一般采用沸石。旋轉爐分成頂部燃燒室、蓄熱層及分配氣缸3 個核心單元，蓄熱層填充蓄熱陶瓷。由于轉輪和燃燒室都使用節能和吸附效果好的蜂巢結構，粉塵易堆積于這些蜂巢結構中，對其性能造成不利影響。蓄熱陶瓷堵塞狀態如圖1所示。

圖1 蓄熱陶瓷堵塞狀態

2 粉塵對處理工藝的影響

2.1 粉塵對旋轉爐熱回收的影響

粉塵堆積在旋轉爐內的多細孔蓄熱陶瓷內，使交換面縮小，吸熱、蓄熱以及放熱能力都會明顯減弱，導致旋轉爐的熱回收能力減弱，甚至無法使用。

2.2 粉塵對旋轉爐壓阻的影響

粉塵堵塞旋轉爐的蓄熱陶瓷后，旋轉爐的壓損增大，廢氣進入爐體內的壓力升高，如果廢氣不能及時進入爐體，爐內的熱氣不能及時排出，會造成爐內熱量堆積，影響旋轉爐的安全。

2.3 粉塵對旋轉爐內溫度探頭的影響

粉塵堆積在旋轉爐內的溫度偵測器或壓力偵測器上會造成溫度或壓力偵測不準確，導致旋轉爐控制紊亂。

2.4 粉塵對轉輪的影響

轉輪要利用熱量進行轉輪的污染物脫附，如果粉塵堆積在轉輪的孔內，會造成多孔狀的轉輪堵塞，甚至無法正常使用。

2.5 粉塵對系統熱交換器的影響

熱交換器一般采用孔板結構或管狀結構，粉塵堆積會降低換熱效率，影響通氣量。

2.6 粉塵對系統穩定的影響

粉塵堆積在旋轉爐內的蓄熱陶瓷、轉輪以及熱交換器會造成系統整體性能下降，甚至損壞。同時，系統內壓損升高，系統內產生高正壓氣體段會導致污染氣體泄漏，影響系統穩定性。

2.7 粉塵對運行成本的影響

粉塵堵塞后，系統熱回收效率降低，要想達到設定的處理效果，需消耗更多的燃料進行熱量的輸出，會增加運行成本，同時也須加大維修保養的輸出，使維修保養費用大幅增加。

2.8 粉塵對系統處理效率的影響

廢氣進入旋轉爐內的冷卻區后，與冷卻區內高溫的蓄熱陶瓷接觸后吸收高溫蓄熱陶瓷的熱量，開始進行氧化處理，對后續提高處理效率起協助作用。若粉塵堵塞后吸熱效果降低，系統處理效率也會隨之降低。

對各液晶面板和半導體工廠的實際調查發現，有機廢氣的粉塵造成系統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廢氣處理系統無法正常運行，每季度都要停機進行全面保養；國內最大的某液晶面板工廠每3~5 年就需要更換轉輪和燃燒機的蓄熱陶瓷；南京某芯片制造工廠考慮到有機廢氣處理系統會產生粉塵的問題，選型時僅采用能效較低的直燃爐，同時縮短維護保養的周期，以便及時清理產生的粉塵；針對國內某工廠轉輪事故的調查發現，轉輪發生堵塞，導致氣流不暢，熱量不能及時順利排出，造成污染物中閃點較低的物質燃燒，部分工廠出現過悶燃等安全事故。曾經一些工廠也采取過改善措施，如更換蓄熱效果相對低但孔徑較大的蓄熱陶瓷，但由于蓄熱陶瓷內部孔中的粉塵很難清理，維護保養工作量異常繁重。

3 粉塵的形成機理

通過對進入有機廢氣處理系統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廢氣處理系統主要污染物種類

表2 半導體陣列工藝有機廢氣處理系統主要污染物種類

可見，液晶面板和芯片生產過程中都是因為曝光工序使用了HMDS，通過有機廢氣處理系統中焚燒處理后產生的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，在堿性環境下較穩定，在中性和酸性環境下，更易水解且水解的速率更快，其水解反應符合一級反應，水解活化能為28.81 kJ/mol[2]。水解后的產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廢氣焚燒處理單元粉塵堵塞的有效方案——對廢氣進行更加精細化的分類以及對HMDS 進行水洗化處理，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中進行處理。堿性廢氣在后端處理的洗滌塔單元加入H2SO4，對廢氣中的堿性物質進行中和，酸性環境也能促進HMDS 的水解，對HMDS 的處理起到促進作用，同時HMDS 水解產生的NH3也能很好地被洗滌液吸收。

5 結果和分析

南京某液晶工廠有機廢氣的粉塵問題非常嚴重，以北側系統為例，HMDS 濃度為4.3 mg/L，風量為130 000 m3/h，每小時產生SiO2約3 kg，每天產生SiO2約 72 kg，每月產生 SiO2約 2160 kg。成都某新建的液晶工廠同樣使用HMDS，濃度高達20 mg/L 以上，是南京工廠的5 倍，如將其排放至有機廢氣系統中則后果更加嚴重。成都某液晶工廠在建設初期由于對廢氣進行精細分類改進，將含有HMDS 的廢氣排放至堿性廢氣處理系統中通過酸性溶液進行洗滌，促進HMDS 分解，達到了有效處理的目的。目前運行穩定，各項參數滿足要求，在滿產后進行第三方監測，各項排放指標滿足環評及國家環保相關法律法規的要求，測試結果如表3 及表4 所示。

表3 堿性廢氣性能監測數據（一）

表4 堿性廢氣性能監測數據（二） 單位：mg/m3

經過兩年多的滿產運行后，打開爐體觀察蓄熱陶瓷的狀態，無堵塞問題，轉輪和旋轉爐的壓損也沒有明顯的升高。蓄熱陶瓷如圖2 所示，轉輪透光測試如圖3 所示。

圖2 蓄熱陶瓷

圖3 轉輪透光測試

6 結語

將HMDS 排放至堿性廢氣處理系統中，在酸性溶液的作用下HMPS 有很好的處理效果，滿足污染物達標排放的要求。實際應用中可結合排氣風量的大小、HMDS 的入口濃度、排放標準等信息調整洗滌塔的停留時間、潤濕因子以及pH 設定值等關鍵參數，保證對HMDS 的處理效果。

將有機廢氣中的HMDS 進行分流，在整個焚燒處理過程中可以解決粉塵堵塞的問題，從而保證系統安全、穩定、可靠、高效的運行，實現節能、降耗、減排的目標。

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，其有機廢氣處理單元就可以考慮使用節能效果更好的旋轉爐，熱回收效率可提高30%，減少燃料的使用，實現降低能耗、減少碳排放的目的，同時減少系統維護保養帶來的額外費用，實現降低企業生產成本的目的。