罩泡塔應用於立式洗滌塔處理效率改善研究與探討

前言

立式填充洗滌塔是一般工廠常見之空氣污染物防制設備，利用液氣接觸質傳原理，將氣狀污染物中有害物質吸收至洗滌液中。其中洗滌塔內部有大量之填充物，即一般稱之拉西環，拉西環本身也分有多種型式，如:梅花形、雙星球型、海膽型等等，但不管型式為何，其目的都是藉由拉西環表面複雜結構，盡可能地延伸擴大廢氣與洗滌液的接觸表面積，以達到最佳廢氣有害成分之吸收效果。另外白煙問題是一般工廠常見的嚴重污染狀況，通常發生在酸鹼混排的管路中，而排氣中的酸類易與氨氣反應形成氨鹽微粒，此時若洗滌塔之除霧效率不足，使過多水氣殘留於排氣中，氨鹽微粒吸收水氣後膨脹形成肉眼可辨識之微小粒子，這就是可識別之白煙，也就是氣狀污染物衍生之粒狀污染物。在固定污染源空氣汙染物排放標準中，粒狀污染物排放標準是以不透光率界定，其標準為:每日不透光率6分鐘監測值超過20％之累積時間不得超過4小時，在有酸鹼混排狀況的工廠，易導致違反排放標準的狀況，要解決酸鹼混排問題，最直接的方法便是將酸鹼混排排氣分段處理。透過改裝立式洗滌塔，將酸鹼混排排氣分段處理，先將排氣中氨氣成分使用酸性洗滌液中和去除，剩餘酸類成分再由第二段鹼性洗滌處理。此外立式洗滌塔設計進氣流速為2.5m/s，塔體截面積為4.2m，以空氣之密度與黏滯係數計算，其雷諾數(Reynolds number)可達到紊流(turbulent)標準，代表廢氣中含有相當大的動能，若應用罩泡塔原理，將此廢氣動能作用在洗滌液上，可將洗滌液擊碎成微小液滴，大幅提升液氣接觸面積，除了提升氣狀污染物吸收效率外，亦可增加粒狀污染物收集效果，也就是在氨氣未反應前將其吸收，另外也能擷取已形成之氨鹽粒子，有望大幅降低氨氣排放量及白煙排放問題。

空氣污染防制方法與立式洗滌塔去除原理概述

一般氣狀污染物防制方法主要可分為：^[1]

• 熱破壞法：以直接燃燒或間接燃燒方式，利用氧化方式將廢氣有害成分分解成無害物質，此方法處理效率決定於燃燒溫度、停留時間與紊流強度，即俗稱之3T原則，優點是處理效率高且確實，缺點是需耗費大量輔助燃料，並有衍生有害副產物的可能性，需要後續處理設備，衍生額外保養維護費用。
• 冷凝法：利用物質於沸點以下凝結之特性，將沸點高分子量大不易處理之污染物分離出來，需要低溫高壓條件才有好的處理效率，優點是操作簡單，回收的污染物有回收經濟價值，缺點是在廢氣處理濃度高達數千ppm時才有其適用性，處理範圍較狹窄。
• 吸附法：利用吸附劑直接吸附廢氣中吸附質，吸附至一定量後再進行後續處理，優點是操作簡單、不須達數千ppm之高濃度便有良好的吸附效果、處理效率佳，缺點是保養維護費用高，尤其是吸附劑(ex:沸石、活性碳)的保養與更換，以及吸附質最終處理問題。
• 吸收法：利用液氣接觸質傳原理，以兩相污染物濃度差為驅動力，促使吸收化學反應或物理機制運行，此方法處理效率取決於入口污染物質濃度，優點是可同時處理氣態與粒狀污染物、壓降低能源消耗低、處理效率高且濃度範圍廣，缺點是洗滌廢水問題、保養維護成本高，以及常見的白煙問題。

另外粒狀污染物亦是工業製程中常見的污染來源，其防制方法主要為：^[2]

• 重力沉降：利用微粒之自然重力沉降收集在腔體中，優點是操作簡單成本低，缺點是處理效率差，只能處理粒徑大於40μm之微粒，一般只能用作其他防制方法的前處理設備。
• 袋式集塵器：使用濾布或濾網直接將廢氣中微粒收集起來，此種方法處理效率最高，但需要定期洗布保養維持處理效率，且不適用於高溫高濕廢氣。
• 濕式洗滌：直接將洗滌液噴入廢氣中，利用水膜或水霧將粒狀物包圍收集，此方法處理效率高，且可處理高溫廢氣，沒有安全疑慮，缺點是有廢水處理問題。

目前半導體業處理無機酸鹼排均以吸收法為主，且其排氣多是低濃度大風量，若濃度過低則處理效率無法有效提升，因此以下將更進一步探討吸收法原理與處理效率改善機制。

吸收法可分為物理吸收與化學吸收，物理吸收藉由有害物質在洗滌液中溶解度，液氣兩相接觸後溶解在洗滌液中；化學吸收則是依靠有害物質與洗滌液發生化學反應，形成無害之分子或離子，一般洗滌塔則採用兩種並行方式，以水為洗滌液，並加入氫氧化鈉或硫酸等藥劑加速化學反應。在洗滌塔中，廢氣與洗滌液接觸形式，依照雙膜理論(two film theorem) 圖1。

圖1左表示在液氣接觸介面附近之氣體與流體，由於污染物濃度差之關係各自有一濃度梯度，可將包含有濃度梯度的液體與氣體視為接觸的雙膜，在膜的介面處有一不連續驟降之濃度梯度，則此液氣接觸濃度差便是兩相質傳的驅動力。 圖1右表示在液氣介面之溶解平衡常數會趨近於一致。一般將此溶解平衡常數稱為亨利常數(Henry's law constant)，其物理意義為氣體中溶質分壓與溶液中溶質平衡濃度的比值，其值愈小，代表該物質水溶性愈好，通常亨利常數需小於0.007才適合以水作為吸收液。^[1]

在「半導體製造業空氣污染管制及排放標準」中，規定若無法證明酸類排氣排放能達到 表1之排放標準時，則控制條件需符合：^[5]

• 洗滌水pH值應大於7
• 潤濕因子應大於0.1m²/hr
• 滯留時間應大於0.5秒
• 填充物比表面積應大於90m²/m³

此外依據Chien等人研究平行板式洗滌塔時亦指出^[6]，即便在低濃度範圍(0.02-2ppmv)，只要滯留時間(retention time)大於0.5秒，及洗滌液pH值大於7，對於無機酸及有機酸去除效率均可維持80%以上，其實驗結果如 圖2、圖3所示。前面提到半導體製造業空氣污染管制及排放標準中所規範之洗滌塔操作條件，其控制意義為：

• 洗滌水pH值：用以中和污染物及輔助吸收反應
• 潤濕因子：洗滌循環水量/(填充物比表面積×洗滌塔填充段水平截面積)，單位為m²/hr，物理意義為洗滌液在填充物上分布的均勻程度
• 滯留時間：廢氣在填充段停留時間，通常停留時間愈長，去除效率愈好
• 填充物比表面積：填充物表面積與填充段體積之比，愈高表示洗滌液氣接觸時間愈長

由於工廠排氣量範圍有其法規限制，排氣量通常為一定值，因此洗滌塔處理效率主要由滯留時間及填充物比表面積決定：^[4]

其中 τ 為滯留時間，a 為填充物比表面積。

前面提到立式洗滌塔對於粒狀污染物也有去除作用，粒狀污染物在流體中被收集的機制主要有：慣性衝擊、直接截留與擴散，這三種收集機制 圖4。

微粒在流體中運動行為主要決定於其本身等效直徑(equivalent diameter)，由於微粒體積相對於流體極為微小，因此即使微粒有不同的密度、形狀，只要它們等效直徑相同，可將這些微粒視為有相同的空氣動力行為。茲將三種收集機制詳述如下。

• 慣性衝擊：若微粒之慣性夠大，在流體運動中不易改變方向，則容易撞擊流場障礙物而被收集，衡量微粒慣性大小之參數為史托克數(Stoke's number)，其值愈大，代表微粒慣性愈大，慣性衝擊愈重要。
• 擴散：當微粒等效直徑夠小，則微粒易受空氣分子熱運動影響呈不規則移動，即所謂的布朗運動(Brownian motion)，此種機制主要受流體內微粒濃度影響，類似於前述之液氣介面傳輸機制，當微粒之對流強度弱於擴散強度，則擴散機制是重要的，此由微粒之皮可力數(Peclet number)決定。
• 直接截留：當微粒等效直徑介於慣性衝擊與擴散之間時，由於障礙物表面流體流速接近靜止狀態，微粒經過此區域無法獲得足夠動能而停留在障礙物表面上被收集，此機制主要由微粒直徑與障礙物大小比例決定，微粒直徑愈大，則此機制愈重要。

罩泡塔原理與洗滌塔處理效率改善之探討

罩泡塔原理

罩泡塔構想源自於石油工業中的分餾塔，分餾塔的功用是使加熱過後的原油蒸氣通過一連串組成之平板及收集盤，由於原油中含有多種不同成分碳氫化合物，其沸點也不相同。原油蒸氣通過平板造成熱量散失，沸點高的成分先凝結而被收集盤收集離開分餾塔，最後僅剩殘渣與殘氣^[9]，其原理如 圖5所示。

在分餾塔中，加熱之原油蒸氣經過平板的罩泡結構，其蒸氣會衝擊已經存在於平板上的液體，藉由將液體擊碎成為微小粒子，大幅提升液氣接觸面積，此時原油蒸氣中低沸點成分維持氣相，而沸點高成分則轉入液相，達到液氣分離的效果。

此外粒狀污染物防制設備中的平板洗滌器也應用類似原理^[2]，洗滌水由上往下流，廢氣呈相反方向流動，當廢氣挾帶大量動能經過罩泡結構的小孔，可將洗滌水霧化，這些霧化水滴可有效地將廢氣中微粒收集。根據文式效應(Venturi effect)，不可壓縮流體經由管路狹窄處，為了維持相同質量流率，流體運動速度必須加快，同時靜壓減少，因此縮小罩泡孔孔徑可增加氣體動能，增加洗滌水霧化機率，進而增加液氣接觸面積。平板式洗滌器構造如 圖6、圖7。

上述之平板式洗滌器，在工業中一般用於去除粒狀污染物，根據^[12]的研究指出，平板式洗滌器(Plate scrubber)屬於液體床(Fluid bed)型式，在最難去除的1μm粒徑微粒，仍有高達60~70之去除效率，如 圖8。

圖9顯示，若要同時平衡處理酸類與氨氣，洗滌水pH值最好維持在8.9~9.3附近，但在此範圍兩種物質去除效率均低於30%，無法符合法規對於95%去除效率的要求。此外 圖9亦可看出，當洗滌液pH值範圍偏離8.9~9.3過多時，對於酸類或氨氣去除效率均呈現快速下降的趨勢，這是因為酸性物質在水中進行水解作用(hydrolyze)，解離成酸根離子(acid ions)及氫離子，這種水解作用速率，由氫離子受氫氧根離子中和速率而定，但相對的鹼性物質也需要氫離子進行中和作用，因此洗滌液pH值過於極端，均會造成一方去除效率大幅下降。因此，透過化學藥劑調整並非有效方法，也凸顯出改造立式洗滌塔酸鹼混排分段處理的必要性。15A廠預計進行的洗滌塔改造工程，將採上下洗滌液分流方式，先在洗滌塔入口以酸性洗滌液處理氨氣，處理後洗滌液回流至循環水槽，第二段再用鹼性洗滌液處理剩餘的酸類物質，同時循環水槽也會進行改造，使酸鹼兩段的洗滌液不會混合發生中和反應，其構造如 圖10。

依照洗滌塔原始尺寸計算，原本兩段洗滌層厚度各為1.2m，所以原本處理酸性廢氣之填充層厚度總共為2.4m，且原始設計去除效率下層為90%，上層為80%，且改為分段洗滌後，兩段之個別循環水流量不會改變(新增加之氨氣洗滌段會新增循環水pump與管路)，下面將計算填充層縮短為1.2m時酸性與氨氣排氣洗滌效果。

• 以去除效率96%計算所需填充層厚度，公式為Z=NogxHog，其中Nog=傳輸單位數、Hog為傳輸單位高度
• ，Hog=0.38，因此填充層高度Z=3.22x0.38=1.22m，原本單段填充層設計厚度已達1.2m，因此估計單段洗滌層仍可達原始設計去除效率。
• 以填充層厚度=1.2m、進氣流速=2.4m/s計算，滯留時間T=1.2 /2.4=0.5sec；潤濕因子計算：
  
• 填充材採用2.5"雙蓮花型，比表面積：148m²/m³>90m²/m³，以上參數均符合「半導體製造業空氣污染管制及排放標準」所訂之標準。另外依據Chien等人的研究^[6]，單段水洗之滯留時間(retention time)大於0 .5秒，及洗滌液pH值大於7，可推論酸類與氨氣去除效率仍可達到80%。

表2為單段水洗與兩段水洗之差異比較。

Byeon等人建構出新型的改良式紊流濕式洗滌器^[8]，目的在於有效去除廢氣中氨氣成分與衍生的氣膠(aerosol)粒狀污染物。此種改良式洗滌器，利用噴嘴將廢氣加速噴入洗滌液中，利用與水面衝擊濺起的水霧進行洗滌作用，類似於罩泡塔原理。此外洗滌器中的擋板會將濺起水霧粒子擋住並回濺至廢氣中，可加強洗滌效果，其構造如 圖11。

氨氣具有良好的水溶性，在水中形成氫氧化氨，也就是氫氧根與氨根離子，若同時降低洗滌水pH值，會更加強氨氣水溶性，其化學反應式表示如下:

以上述之平板式洗滌器原理，以及Byeon等人研究來看，運用罩泡塔設計，可進一步同時改善酸性、氨氣與粒狀污染物的處理效率，在未來洗滌塔進行分段洗滌改造後，我們將引入罩泡塔概念進行第二階段改善方案，預計應用的罩泡塔構造，如 圖12。

結論

傳統式洗滌塔利用填充物，使洗滌液平均分布在填充物表面上，在相同的洗滌液量下，達到最高的廢氣接觸量，但此種方式無法有效利用廢氣含有的動能，任其透過壓損消耗在填充物上。

應用罩泡塔概念，可利用廢氣本身動能，進一步擴大液氣接觸面積，除了提升氣狀污染物之氨氣去除效率，也可同時收集粒狀污染物之氣膠微粒；此外同時透過酸鹼分段處理，可避免同時處理酸鹼廢氣無法提升處理效率的窘境，也能預防酸鹼排氣在煙囪中發生再反應，減少白煙發生機會。

目前15A廠預計應用的改善方法，僅有分段洗滌部分，將來改善氨氣去除率後，再進一步著手整體去除效率提升，也就是罩泡塔實際應用的部分。依據前述之估算，即使酸洗層厚度從2.4m縮減至1.2m，在滯留時間=0.5s、潤濕因子=0.101 m²/hr、比表面積=148m²/m³操作條件下，酸類與氨氣洗滌層仍可有80%以上之去除效率。