綠色思維下的濕式洗滌塔設計沿革

前言

濕式洗滌塔做為半導體廠務無機性排氣處理系統已行之有年，但實際的效能卻經常與最初的設計目標有所落差；此外，為適應製程機台不斷演進，針對大風量、低污染物濃度廢氣處理的高效能洗滌塔設計為近年來最重要的研究標的之一。在設計的考量上，除須符合政府所明訂之規範及科學理論外，亦須考量運轉操作的穩定性，才能發揮處理系統的最大效益。

文獻回顧

為了釐清各設計參數對濕式洗滌塔去除效率的影響，因此必須剖析其污染物移除機制與洗滌塔基本構造的相對關係。

濕式洗滌塔移除氣狀污染物的主要機制為氣體吸收的物質傳輸作用，而其吸收反應可用雙膜理論(Two-film theory) (Copper and Alley, 1998; Zarzycki and Chacuk, 1993)進行描述，主要可分作五個步驟 (Whitman, 1923)，如圖一：

1. 污染物由氣相擴散至氣液間介面
2. 污染物在氣液間介面內的傳輸
3. 污染物水解/離子化後進入液相
4. 污染物在液相間的擴散行為
5. 污染物在液相中的化學反應

Copper及Alley等人在1998年以填充塔為例，藉由雙膜理論推導出填充層之厚度：

其中 Z = 填充塔厚度，m

G_m = 氣流摩爾流率，mole/s

a = 填充材比表面積，m²/m³

A = 填充塔截面積，m²

K_G = 質傳系數，mole/m²*s

y = 污染物在廢氣中之莫爾分率，mole/mole

Worsnop等人在1989年研究噴霧塔中，水滴內污染物濃度及污染物氣體濃度之關係，並針對時間、濃度、液滴數量的影響進行描述，方程式可藉由對時間的積分，換算得到噴霧塔之吸收率，而其反應示意如圖二。

其中 C_aq =污染物在液滴內之濃度，M

P_g =污染物在氣體之氣相分壓，atm

C_A =污染物分子平均運動速度，m/s

D =液滴直徑，m

H^* 為有效亨利係數，M/atm

γ 為攝入係數，≦1

n(D_i)ΔD_i 為粒徑D_i之水滴數目濃度，#/m³

此外，由於廢氣中亦含有粒狀污染物（氣膠、鹽類晶體等）須處理，因此塔體在設計時，也須考量其去除能力。Davis等人於1999年提出以液滴去除粒狀污染物的機制：包含慣性衝擊（如圖三）適用於粒徑大小超過1μm時，粒狀污染物藉由對液滴較高的相對速度，與液滴進行碰撞；以及布朗擴散（如圖四）適用於粒徑小於0.1μm時，粒狀污染物藉由對液滴較低的相對速度，使擴散機制發生機率增加；而粒徑大小介於0.1－1μm者，直接截取為較顯著的捕捉機制。

由於洗滌塔內反應複雜，影響去除效率的主要因子為填充層厚度、填充材比表面積、塔內氣體停留時間、塔內氣流分佈、液氣比、入口廢氣濃度、洗滌液潔淨程度、洗滌液pH、空氣污染物對水之亨利常數及除霧層效率等。環保署為確保各半導體製造商均能在相同標準下進行操作，因此在1999年制訂相關排放標準，如表一所示。

若洗滌塔在設計時無法證明符合表一之標準，則最少須符合環保署訂定之半導體製造業空氣污染管制及排放標準，而其規範如下：

• 潤濕因子計算
  
• 設備洗滌循環水槽之pH值
  pH > 7
• 填充段空塔流速計算
  
• 填充段空塔滯留時間計算
  

研究方法

本次研究將針對台積電各十二吋晶圓廠的洗滌塔，分別以不同設計參數進行比較，並分析其優缺點，最後再考量相關的限制條件，發展出一新型洗滌塔的設計。

洗滌塔演進說明

在既有十二吋晶圓廠區中，F12P1/2、 F12P3、F14P1/2等之洗滌塔大部份因受限於場地空間之利用，故採用臥式洗滌塔，如圖五。藥液經由幫浦由上方噴灑至填充層，廢氣由水平方向進入洗滌塔，和藥液流向成直角，兩者於填充層內，經過氣液之接觸而產生化學吸收反應，處理後之氣體再經除霧器，將氣體中之液滴去除，最後再經由排風機及煙囪排放至大氣中；處理後之藥液流至下方之循環水槽，加藥機調整pH值後可再循環使用，減少廢水之排放量。

而後續新建之十二吋晶圓廠區F12P4/5、F14P3/4、F15P1/2等之洗滌塔均設在室外屋頂，高度較不受限制，故採用直立式洗滌塔，如圖六。藥液經由幫浦由上方噴灑至填充層，廢氣由下方進入洗滌塔，氣流再往上，廢氣和藥液流向成對流方向，不會因填充材沉陷而造成廢氣短流(未處理即排出)之現象。表二為兩種洗滌塔之比較表，表三則是各廠區實際洗滌塔資料，可以觀察出隨著設計效率的提升，填充層厚度、循環水量、灑水層分佈均會隨之增加。

結果與分析

既有的洗滌塔，雖然均符合環保署的設計規範，但在實廠操作上很難達到空污排放要求 (95%以上)，常見原因包含填充材易因塌陷造成洗滌液分佈不均，或因塔內氣流流速過快、轉折太多，而造成槽化(channeling)現象；為改善這些缺失，新設計的洗滌塔，如圖七，將強化以下各點設計：

• 塔內氣流從側向改由上方出氣，以減少槽化現象發生。
• 增加填充層高度，由原本單層改為雙層設計，增加廢氣在塔內的滯留時間。
• 加裝氣流分佈器，使氣流分佈更為均勻，避免塔內部分區域流速過快。
• 塔內除霧層，除原有之拉西環除霧段設計，增設板式除霧器，以降低污染物藉由水氣帶離洗滌塔之再蒸散量。

除此之外，由於部分機台因製程需求，機台排氣會有酸鹼混排的問題，針對此類機台，建議如下：

• 將製程排氣進行酸、鹼分流。
• 在機台後端加設小型的洗滌塔(Local scrubber)對高濃度排氣進行前處理再排至後段濕式洗滌塔。
• 強化濕式洗滌塔處理能力，並以階段式分別處理鹼性污染物及酸性污染物。

多段式洗滌塔為避免階段間互相污染，因此階段間需作區隔，在施作上本體架構會以臥式洗滌塔為主，如圖八，主要架構介紹如下：

• 第一階段，針對排氣中氣膠顆粒、鹼性排氣進行填充段水洗處理。
• 第二階段，針對排氣中酸性氣體進行填充段水洗處理。
• 第三階段，針對前兩階段未處理的低濃度污染物，以較潔淨之水霧進行處理，並強化末端除霧效果，有效截取氣態的污染物及液態的污染物。

結論

隨著製程不斷進步，空污處理系統規格亦須隨之升級，短期將持續加強濕式洗滌塔的去除能力，長期更希望能夠以更新穎的技術取代傳統洗滌塔的處理方式，並同時兼顧合理的成本控制與降低能源消耗，以符合社會大眾之期望及公司的永續發展。