以回收有機排氣系統廢熱進行廠內異丙醇減量之實務應用

前言

隨著製程技術之推進，製程機台使用異丙醇(Isopropyl Alcohol, IPA)之應用日漸廣泛，原先使用氣態IPA(g)方式進行晶圓乾燥，但由於晶圓線徑之微縮，而需改採液態IPA(l)加上DI 水方式進行乾燥，導致IPA與水相混合之情況發生，造成廢液量大幅增加( N10為N16之2.4倍，而N10+N7 已增大為N16 的4.8倍)，且含水率卻過高(從原先小於20%突增至大於80%)，目前已不具回收價值，僅能以焚化方式處理，導致處理費用突增且造成廢溶劑清運之衝擊。在運轉風險以及運轉成本之考量，實有必要評估於廠內設置處理設備。本研究依據最節能且不會造成二次污染(廢棄物問題轉變為廢水或空污問題) 之評估原則下，尋找一最佳之廠內處理方法。

文獻回顧

W-IPA廠內處理設備評估

有關W-IPA之處理方法相當地多，其中較為成熟且商業化之技術有以下幾項：高級氧化法、蒸餾法、生物處理等方法。本研究依據初設成本、佔地面積、運轉成本、能耗、衍生二次污染可能性等項目進行評估， 表1為各種處理技術之可行性評估表，最後評估結果我們選定蒸餾技術。而IPA廢液之回收處理，業界常用以鍋爐蒸氣為熱源之高溫常壓蒸餾技術。但考慮tsmc廠內已無鍋爐，因此我們提出低溫負壓蒸餾法之創新想法，負壓操作，熱源溫度可降低，熱需求相對較小，因此可直接使用廠內一些多餘廢熱，例如Hot DI Reclaim或是廠內之冰機、CDA空壓機、VOC處理設備等運轉時所產生之廢熱。節能、安全兩者兼顧。另一好處是低溫操作可避免IPA在蒸餾過程中被氧化成丙酮(廢水放流水管制物質)。

低溫負壓蒸餾法簡述

原理

首先我們先了解何謂蒸餾？依據化工大辭典之解釋：「蒸餾是一種熱力學的分離工藝，它利用混合液體或液－固體系中各組分沸點不同，使低沸點組分蒸發，再冷凝以分離，其包含蒸發和冷凝兩種單元操作。與其它的分離方法，如萃取、吸附等相比，它的優點在於不需使用系統組分以外的其它溶劑，從而保證不會引入新的雜質」。而應用於IPA廢液處理，因IPA之沸點較H₂O低，IPA受熱汽化後往蒸餾塔頂方向走並經過冷凝器冷卻為液態後予以收集。而沸點高的H₂O則以液態形式留置於塔底部後排放。不過由於IPA和水有共沸現象，IPA沸點為82.6度，而IPA和H₂O之混合物則在80.3度即沸騰而一起揮發，其各自所占比例為IPA 87.4%，而H₂O為12.6% (可參照 圖1)。而目前我們與公司與廢棄物處裡廠商之合約談定，IPA純度達 85%以上即可回賣給廠商，因此本研究則以此純度85%作為回收標準。

圖1、IPA+H₂O混合液體之共沸點曲線圖

本研究所採取之低溫負壓蒸餾法是利用IPA的沸點隨著外界的壓力不同而改變，當外界壓力降低時，IPA的沸點也跟著降低，因此我們利用真空Pump來降低蒸餾塔內之壓力，如此IPA在較低溫度即可揮發。

圖2為低溫負壓蒸餾系統之流程示意圖，其流程是廢熱回收設備所供給之熱水透過整餾塔底部之再沸器(Re-boiler)來加熱塔底之液體，使IPA汽化成氣態後往上流動，並與塔頂上方所進料之IPA廢液於蜂巢狀填充材進行氣、液逆向進行熱交換，下降液中的液態IPA不斷地蒸發成氣態。而蒸汽中的難揮發H₂O則不斷地向下降液中轉移，蒸汽愈接近塔頂，其IPA濃度愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發H₂O比例則愈多。最後由上升至塔頂的高濃度IPA蒸汽進入冷凝器進行冷卻，冷凝的液體一部分作為回流至蒸餾塔再一次蒸餾濃縮，其餘的部分則作為餾出液(IPA成品)取出。而塔底流出的液體，其中的一部分送入再沸器加熱蒸發，另一部分液體作為殘液排放。

圖2、低溫負壓蒸餾系統之流程示意圖

計畫方法

W-IPA模廠測試說明

在經過上述之評估後，決定採用低溫負壓蒸餾方法進行IPA回收，但其畢竟為一種新的嘗試，目前並無實績，因此我們架設一個模廠設備(圖3為模廠設備現場照片)進行測試驗證其可行性，測試項目共計以下三項。

圖3、模廠設備現場安裝照片

不同溫度熱源之可行性驗證

目的是不同熱源溫度之可行性，其對應之負壓值。我們共計測試45℃、85兩種不同溫度，以模擬廠內Hot DI、VOC 廢熱回收之熱源溫度。

操作容許濃度範圍測試

由於考量各廠所產出之IPA廢液濃度不一，且即使同一個廠由於製程變更也可能導致IPA廢液濃度改變。我們自行調配不同濃度之IPA原液，範圍介於1.1~14.8%之間。除了檢測蒸餾成品純度是否達到85%以上之目標外，另外我們也檢測處理後排放水中IPA、丙酮之殘留濃度，以確認不會造成廢水廠之影響，而衍生二次污染問題。

廠區實際產出IPA廢液之測試

最後我們將F14B、F15B先進廠區所實際產出之W-IPA拿來進行測試，以驗證成效。

廢熱回收模廠設備之設置以及測試

在熱源之尋找中，在考慮到Hot DI 之溫度不穩定(取決機台稼動率)，CUP棟內之CDA空壓機、冰水主機需進行機台改造且影響運轉效率最後決定使用回收VOC處理設備之廢熱排氣，其排放溫度仍高達約180℃，直接排放至大氣中不僅浪費且可能影響廠區周圍外氣溫度。其回收方式是採取以水為媒介物，經熱交換器回收廢熱來將水溫提高至85~90℃。

我們於去年(Y2017)六月並於VOC處理設備旁現場架設一組模廠設備進行測試。 圖4、圖5為廢熱回收之模廠設備流程示意圖以及現場照片，其主體有兩個熱交換器，第一道熱交換器為氣對水類型，負責將高溫廢氣來加熱循環水槽內之水，而第二道熱交換器為水對氣類型，負責將高溫循環水來加熱鼓風機鼓進來的常溫空氣，如此熱源可以熱水或是熱氣兩個不同形式來提供，增加應用之層面。

圖4、VOC廢熱回收模廠設備流程示意圖

圖5、VOC廢熱回收模廠設備現場安裝照片

結果與分析

W-IPA模廠測試結果

首先，不同溫度熱源之可行性驗證，在90℃熱水源之操作條件，設備運轉負壓值為40~50kpa (1 atm = 101.3kpa，此為絕對壓力，值越小，真空度越強)；而在45℃熱水，設備運轉負壓值則需提升到10~15kpa。 圖6為不同溫度之熱源與其對應之操作負壓曲線圖。熱源溫度約低，其操作壓力須越小，亦即真空度越強，相對而言，真空Pump耗電量亦隨之上升，因此回收之廢熱源溫度不宜過低。

圖6、IPA廢液蒸餾溫度vs.操作壓力曲線圖

另外在自行調配不同濃度之IPA原液(範圍：1.1~14.8%)以及F14B、F15B廠區之W-IPA廢液進行測試，其測試結果如 表2所示。成品之IPA成分均可達到所要求85%以上，減積比例達80%以上。而我們對於蒸餾後之排放水進行分析，丙酮未被檢出，表示此低溫負壓蒸餾法中IPA不會被氧化丙酮之疑慮，而其IPA濃度均可小於70ppm以下，換算成COD則為175ppm，而一個廠每日廢水放流排放量約在4000CMD，其貢獻均在10ppm以下，對放流之影響甚小。因此確認其無二次污染問題，不會將污染轉嫁至廢水廠。另值得一提是在檢測F14B、F15B之廢液原液時，意外檢測到均有雙氧水之存在，因雙氧水為氧化性物質，在蒸餾過程中收熱後可轉化為氧氣，將增加操作風險，此一發現，增設一雙氧水去除單元 圖7。

圖7、IPA廢液模廠測試照片

廢熱回收模廠測試結果說明

在廢熱回收實測中，我們驗證高達180℃VOC處理設備廢熱可透過熱交換器將循環水加熱至90℃，超過我們所預定之85℃目標。其位於Fab棟頂樓，位置偏遠，但透過水為媒介物加以回收，再以熱水的方式輸送至各個之需求端。而另一測試則是將這股熱水再經過另一個熱交換器（水對氣），亦可將鼓風機所鼓出之空氣加熱到75℃．其可應用在廠內之污泥乾燥或是硫酸銨之濃縮。其增加廢熱之應用面 圖8。

圖8、廢熱回收模廠測試照片

結論

本研究結果顯示，使用低溫負壓蒸餾法確實可將廢IPA進行減廢回收成有價商品，廠內再生比例達100%，且使用回收廢熱，無需浪費額外能源，減廢、節能等優點兼具。目前此技術即將應用於中科廠區，且已屆發包階段。 蒸餾技術為石化業所常用之技術，而在公司大力推行廢棄物再製回供本業使用(循環經濟3.0版)之目標時，台灣發展已久之石化業，已累積許多相當豐富之技術以及經驗，是值得我們作為借鏡、學習以及應用。