節能減廢新藍海 - 機械式蒸氣再壓縮系統原理概述及應用

前言

全球氣溫上升，氣候變遷，綠能與永續發展是被密切關注議題。本公司不斷的追求綠色製造，盡其所能找尋對環境友善之技術達到減廢節能之效益。因應產能擴充及先進製程投入，廢棄物總量將逐年成長，所以廢棄物減量是我們必須努力的課題。隨著廢硫酸於廠內回收再利用，大幅降低委外清運量，隨著占比調整，2016年30%硫酸銨已躍居最大宗廢棄物，其中30%硫酸銨約含70%水分，如 圖1，套用「鮮奶」及「奶粉」的概念，何需浪費資源作水分處理或運送，除了增加廢棄物量還增加委外處理成本。基於上述想法我們開始搜尋可行方案，將30%液態硫酸銨去水提濃為固態硫酸銨，當中包括高溫蒸餾、熱風噴霧乾燥及機械式蒸氣再壓縮系統（Mechanical Vapor Recompression，以下簡稱MVR）技術，其中高溫蒸餾及熱風噴霧乾燥，是利用熱源將水作升溫及相的轉換達到脫水之目的，然從節能及可行性分析，皆無法做到有效熱回收，因此乾燥過程會耗費大量能源，唯有MVR技術藉由蒸氣壓縮回收再利用，可將汽化熱回收再利用，以有效達到去水提濃之目的。經過計算，此技術若導入300mm Fabs，對台灣環境來看一年可以減少12,520噸碳排放量（相當於33座大安森林公園碳吸收量），對公司來說一年可以減少1億7千萬處理費用，委外在利用廠商方面也可以減少處理成本及廢水減量，創造三贏局面。

圖1、牛奶運輸概念啟發廢棄物減量

台積公司因應新世代製程技術開發及產能開出，會伴廢棄物產生量上升，公司訂定五年減廢計劃，未來將作到50%廢棄物減量。以80/20法則， 表1指出2016年廢棄物最大量：30%硫酸銨來做減量標的物。30%硫酸銨內含70%水分，以牛奶製成奶粉的方式聯想，只要將30%硫酸銨中的水分去除掉，便可大幅減少廢棄物清運量。以300mm Fab一年產出78,000噸30%硫酸銨，將硫酸銨去水提濃至95%，硫酸銨廢棄物量將下降至24,960噸，達到廢棄物減量68%。

表1、2016 年廢棄物產出量

文獻回顧

MVR簡介

MVR為九十年代所開發出來的節能設備，發展初期能源成本及環保意識並非主流考量，因此系統並沒有被大量應用。當前綠能與環保成為顯學，此系統節能的特色便成為最大亮點。現況MVR技術已被廣泛應用在各領域上，包含化工廠、生技廠、面板廠等^[1]。

目前市面上蒸發濃縮製程有單效或多效蒸發系統，如 圖2所示^[2]，其單效蒸發系統之性能係數（Coefficient of Performance, COP）為1.0，而MVR COP可高達30，換句話說MVR的能耗約單效蒸發系統的1/30。工業界應用在蒸餾、濃縮、海水淡化、及廢水零排放等^[3]，不只可以有效節能，對環境來說也是相當友善之技術。

圖2、單效/ 多效/MVR 比較

MVR原理^[2,4]

MVR 原理如 圖3所示^[2]所示，步驟1：母液經由泵浦傳送至熱交換器加熱→步驟2：被加熱之母液傳送至蒸發罐汽化成蒸氣→步驟3：產生之蒸氣經過蒸氣壓縮機壓縮而提高溫度→步驟4：被提高溫度之蒸氣經過熱交換器與母液做熱交換→步驟5：蒸氣經過熱交換器轉移潛熱，溫度降低，冷凝成冷凝水。

圖3、MVR 工作示意圖

由於100℃之水蒸氣與水作熱交換，最多只能將水溫度提高至100℃，無法將潛熱轉移至水讓水蒸發汽化。此技術是將水蒸氣壓縮，提高蒸氣溫度，此時超過100℃之水蒸氣便可將潛熱轉移至水，讓水蒸發汽化。

計畫方法

本篇探討利用MVR技術，導入硫酸銨減廢專案。如 圖4所示30%硫酸銨中水分升溫汽化後，藉由蒸氣壓縮機加壓，將蒸氣溫度提高，再與母液作熱交換，30%硫酸銨液體即可去水提濃至45%硫酸銨後（固液共存），再將45%硫酸銨經過離心式脫水機脫水，即可生成95%硫酸銨固體。

圖4、MVR 應用至95% 固態硫酸銨生產示意圖

回收固體硫酸銨有結晶顆粒大小限制，結晶顆粒越大，所需之結晶罐高度需要越高，此設備建置在室內會有高度限制，未來設置將會量身訂做結晶罐，以多段方式結晶，降低高度以符合廠區要求。

未來應用分析

2015年300mm Fab約產出78,000噸30%硫酸銨，78,000噸30%硫酸銨其中含有54,600噸的水，當委外清運處理時，這54,600噸水也被當成是廢棄物作處理，除了大幅增加廢棄物量，也增加委外處理成本。

目前30%硫酸銨去化路徑包括：

• 再利用轉製氨水與硫酸鈣
  如 圖5所示，當30%硫酸銨清運至廠商製作氨水與硫酸鈣，廠商只需要提出[NH₄⁺]製作成氨水，剩餘的水變成廢水然後經過處理完後排放。

  圖5、MVR 應用至氨水轉製再利用示意圖

  
• 再利用轉製99%固態硫酸銨
  如 圖6所示，當30%硫酸銨清運至廠商製作99%硫酸銨固體：廠商使用鍋爐將30%硫酸銨蒸發去水，再經過乾燥爐產生99%硫酸銨固體，此製作過程鍋爐需使用重油，對環境沒那麼友善，最後70%的水分也會被汽化或者當作廢水排掉。

  圖6、MVR 應用至製作固體硫酸銨

  

上述兩種做法最終就是將30%硫酸銨中的70%的水分汽化或者當作廢水處理。如 圖7所示，如果在廠區內導入MVR技術的話，製作95%硫酸銨固體將去掉約68%的水，而此水分可以回收至廠區再利用，不用當作廢水排掉。而95%硫酸銨固體清運至廠商處理將會使廠商減少汽化或者排放68%廢水。

圖7、MVR 技術導入增加水回收及廠商減少廢水排放

如 表2所示，總體效益來看：產生之冷凝水，可在廠區回收再利用；30%硫酸銨液體提濃至95%硫酸銨固體，將會減少68%運輸車次；在廠區以較節能之MVR技術取代廠商較耗能之鍋爐設備，可以減少委外處理費用，對廠商可以減少耗能之鍋爐設備使用，對環境碳排放來說一年約可減少12,520噸碳排放量（相當於33座大安森林公園碳吸收量），此技術如果導入將會達到三贏局面。

結論

以2016年廢棄物量來看，若導入MVR熱回收節能技術，將液態硫酸銨由30%去水提濃至95%固態硫酸銨，並搭配後段廠外再利用廠商，將會使每年硫酸銨產出量由78,000噸降至24,960噸，不但可大幅降低硫酸銨廢棄物外運量68%，同時可減少84%碳排放量，約33座大安森林公園碳吸收量，達到節能減廢之雙贏效益。期望以此技術導入廠區，將廢棄物衝擊減至最低，以盡到環境保護、永續發展的企業社會責任。