應用濕式旋風集塵器於製程尾氣 處理設備改善細懸浮微粒研究

前言

一打開電視，新聞又播報著今天台灣西半部地區，多數環保署空氣品質監測站已達紫爆標準，造成現在台灣民眾每天早上最新的流行問候語就是：您今天戴口罩了嗎？2016年12月1日，環保署對空氣品質優劣之指標，改以「空氣品質指標」(Air Quality Index, AOI)取代過去的「空氣污染物標準指標」(Pollutant Standard Index, PSI)、其細懸浮微粒(PM2.5)併陳的方式，其定義如下：空氣品質指標為依據監測資料將當日空氣中臭氧(O₃)、細懸浮微粒(PM2.5)、懸浮微粒(PM10)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO₂)及二氧化氮(NO₂)濃度等數值，以其對人體健康的影響程度，分別換算出不同污染物之副指標值，再以當日各副指標之最大值為該檢測站當日之空氣品質指標值(AQI)，如 表1所示。

「髒空氣」會致病、致癌，而空氣中的污染物，又以PM2.5（粒徑在二．五微米以下懸浮微粒的通稱）威脅人類健康日趨嚴重，PM2.5直徑示意圖如 圖1所示。

聯合國世界衛生組織(WHO)的調查指出，2012年死於空氣污染相關疾病的人口達七百萬，也就是全球每八位死者中就有一人的死因可以歸咎於空氣污染，比起因愛滋病、糖尿病和車禍所加起來的死亡人數還要多。

台灣癌症基金會指出，2017年十大癌症死因排名首位的「肺癌」，平均每57分鐘就奪走1條人命，它更是十大癌症中「醫療支出最高、死亡率最高、晚期發現比例最高」的癌症，堪稱癌症之王，吸菸容易得肺癌是常識，吸菸、吸二手菸，罹患率都較正常人高出10至13倍，但弔詭的是，台灣吸菸比例已降一半，肺癌卻增加3、4倍，原來空氣污染才是重要原因。2013年10月，世界衛生組織 (World Health Organization, WHO)的國際癌症研究機構(International Agency for Research on Cancer, IARC)正式將室外空氣污染列為重要致癌因素，並再個別評估空氣污染的主要成分後，將PM2.5列為「第一級致癌物」，其引發肺癌的風險更勝二手菸。

一般人可能會認為PM2.5只是飄浮在空氣中類似灰塵的微粒，為什麼相較於臭氧(O₃)、二氧化硫(SO₂)、二氧化氮(NO₂)等空氣污染物，會對人體健康造成如此大的傷害呢？其實PM2.5包含PM0.1 (小於0.1微米的超細微粒)，也就是奈米級微粒，這些超細微粒比PM2.5更能深入肺泡，而進入人體血液內造成傷害。

位於美國的獨立研究機構「健康影響研究所」(Health Effects Institute, HEI)在2013年指出，大氣微粒數目主要決定於PM0.1，而PM0.1數目濃度很大，所以表面積相對也大，許多有害物可以吸附在上面，所以其危害可能更大。

「美國流行病學期刊」(American Journal of Epidemiology)也指出，大氣微粒數目濃度比質量濃度更能反映微粒毒性，值得注意的是，PM0.1吸附在微粒表面的有害物質，許多的是可進入周邊血液的可溶性化學物質，比PM2.5更容易被吸收到全身的循環系統。

雖然微粒能夠穿透肺泡的數目可能不是毒性最重要因素，但是PM2.5在呼吸道引起的肺部局部發炎反應，可以導致全身性發炎，甚至引起心血管疾病等。換句話說，PM2.5可以經由間接發炎反應，將微粒在肺部的發炎效應轉移到全身，如 圖2所示。

半導體廠房PM2.5的來源有哪些呢?2014年中科廠區執行PM2.5煙道排放調查，廠區煙道PM2.5排放比例主要來源為酸性廢氣系統(SEX, 55%)及揮發有機廢氣系統(VEX, 40%)，如 圖3所示。SEX PM2.5來源以單一風管排放量(質量濃度×風量)數據，前三名製程來源為CVD、FE-Bench、BE-Bench。

本次研究為中科廠區CVD製程所使用的電熱式LSC，處理原理是以電能提高反應腔溫度，氣體通過反應腔，廢氣高溫氧化裂解，再將裂解後產生副產物，透過水洗去除，其流程如 圖4所示，三個處理階段化學式反應如下：

• 第一階段入口段水洗：

  NF₃ + H₂O → HF + NO₂

• 第二階段燃燒：

  SiH₄ + 2O₂ → SiO_2(powder) + 2H₂O

• 第三階段出口段水洗：

  HF + H₂O → 溶於水

其中，燃燒後副產物SiO₂(powder)因LSC處理效率不佳，導致粉末累積在後端酸排風管內，造成阻塞與PM2.5逸散問題，本研究希望藉由LSC出口段安裝粒狀污染物防治設備來解決此問題。

文獻探討

粒狀污染物防治技術

不同粒徑的污染物決定不同的防制設備，選用防制設備時應考量之因素有：

• 顆粒大小及重量分布
• 所要處理的廢氣量及其微粒負荷
• 廢氣的溫度及濕度
• 集塵效率
• 微粒是否有回收價值
• 操作及建造成本

防制設備通常依粒狀物粒徑尺寸、特性及處理風量不同而選定適合之集塵方式，大致可分為重力式、離心式、濕式洗滌、濾袋過濾式、靜電式等，其中常見粒狀污染物防制設備包括重力沉降室(Gravity Settling Chamber)、旋風集塵器(Cyclone)、濕式集塵器、袋濾室(Bag House)、靜電集塵器(Electrostatic Precipitator, ESP)等五種。各種粒狀污染物防制設備比較及其適用時機如 表2所示。

目前廠區PM2.5防制技術與設備

針對廠區Wet Bench高溫硫酸酸槽製程所產生之大量硫酸銨鹽微粒問題，經過多年研究改善，目前使用之技術與設備如下：

主機台(SU3X00)裝設濕式洗滌塔

廠內目前使用現址式濕式洗滌塔(Local wet scrubber)來處理單片式酸槽製程排氣，將源頭高濃度氨氣及硫酸做初步源頭的削減，以減少酸鹼於風管中混排產生之硫酸銨鹽微粒，並於中央設置大型濕式洗滌塔處理酸鹼氣體以及較大粒徑的微粒，作為最後的把關，但是濕式洗滌塔對於粒徑1µm以下微粒之去除效果不佳，收集效率低於50%。

水渦流機

水渦流機主要針對於高溫硫酸FSI機型之廢氣進行源頭削減，水渦流機為獨特離心氣旋裝置，藉由風機牽引氣流及桶槽存水產生氣旋水霧，進而使水霧化與空氣有效率接觸混和，提供較佳的液、氣混和效果及粉塵捕捉效率，取代傳統濕式洗滌塔。

源頭分流水霧技術

高溫硫酸酸槽製程Chamber Exhaust內連線為共管，則不同chamber的酸鹼皆混排而形成大量硫酸銨粒狀物，若將各Chamber內連線由共管改為獨立管分流，當不同Chamber進行不同酸鹼程序時，單一Chamber專管專收不互相混排影響，可大幅降低高濃度酸鹼產生大量粒狀物的機會，並於獨立管內設置灑水頭進行初步水洗，以降低管內酸鹼氣體濃度，減少後續混合形成硫酸銨的機會，當廢氣經分流及細水霧灑水後再送至水渦流機進行少量粒狀物的處理 圖5。

高效率空氣過濾網(High Efficiency Particulate Air filter，HEPA)

水渦流機對於粒徑大於1µm粒徑其去除效率可大於90%，但對於粒徑0.3µm以下微粒處理效率不佳，僅有60%去除效率，故中科廠區導入「線上反洗再生式PVDF HEPA」裝置，HEPA技術是將所有細小的微粒全面攔截，但過去此類型應用始終礙於「材質腐蝕」 及「堵塞產生壓差」兩種問題，PVDF材質具有優秀的耐酸鹼特性，已廣泛用於硫酸管路之輸送，能確保不被硫酸銨微粒蝕穿，而堵塞問題則透過硫酸銨鹽類易溶於水之特性，在系統壓差上升時至超過1600pa時進行注水反洗，可成功將維護週期延長至1個月以上，其對於粒徑0.1µm以下微粒去除率可達95%。

計畫方法

本研究主要是希望藉由LSC出口段安裝粒狀污染物防治設備來解決風管阻塞與PM2.5問題，上述所提到Wet Bench高溫硫酸酸槽製程所使用的水渦流機、HEPA設備皆屬大型設備，對於本研究CVD製程所使用的電熱式LSC而言，並不適合安裝於後端出口，也因為半導體廠房利用率問題，於是訂下一個目標，就是如何將污染物防治設備由獨立設備發展為可結合LSC的規劃設計。

濕式靜電集塵器

半導體業界已有成功導入污染物防治設備與LSC結合的規劃設計，以下介紹濕式靜電集塵器設備。

原理

靜電集塵器分為乾式、濕式兩種，集塵原理相同，都是利用高壓電暈放電使空氣中粉塵帶電荷，將帶電荷的粉塵在電力場的作用下被捕捉至集塵板，乾式靜電集塵器通常採用機械振打或超音波震盪等方式將集塵板上的積灰清除，而濕式靜電集塵器是以水洗方式將集塵板表面積塵洗除，故濕式集塵板需維持適當的濕度，以增加粒子的附著效率，也改善乾式靜電集塵器粉塵再揚起的問題。

處理流程

濕式靜電集塵器設備對於廢氣的處理過程分五大程序，如 圖6，前段水洗、電熱反應、後段水洗、後段過濾、靜電集塵：

• 前段水洗：利用噴頭Spray Nozzle來水洗氣體，使製程氣體與水充份接觸反應，將水溶性物質溶入水中。
• 電熱反應：利用Heater加熱在腔體內將有害氣體利用高溫氧化反應裂解，把分子重新做組合處理成無害氣體。
• 後段水洗：利用噴頭Spray Nozzle來水洗降低高溫反應後氣體產生的酸氣副產物(HF、F2等)以及攔截大粒徑粉塵(SiO₂)，並且將奈米級細小粉塵凝結成微米級粉塵，最後在靜電集塵區集塵下來。
• 後段過濾：主要利用拉西環提高水洗比表面積，增加氣體與液體的接觸面積，提高潤濕因子使水洗效果提升兼攔阻大粒徑粉塵(SiO₂)，降低粉塵量到靜電集塵區處理。
• 靜電集塵：運用電暈放電現象產生的空氣離子讓粉塵微粒帶電，帶電的微粒在不均勻電場中往集塵板移動而被收集。

效率驗證

濕式靜電集塵器設備依污染物粒徑不同有不同處理效率，平均處理效率約98.4%，如 表3所示。靜電集塵段中電暈放電對於集塵器的除塵效率是一個重要因素，較高的電壓對於處理效率也較佳，如 圖7所示。

濕式旋風集塵器

雖然上述介紹之濕式靜電集塵器看似是種大小粒徑粒狀污染物都可處理的防治設備，但使用靜電集塵技術時，若前方特氣未處理完全，有發生火災之風險，故一直未被台積電公司導入於工廠。不同的粒狀污染物防治設備各有優缺點，各種粒狀污染物防治設備的效率由高而低依序為袋式集塵器、濕式洗滌器、靜電集塵器、旋風集塵器，如 圖8所示。

為了解決大小粒徑粒狀污染物都可處理與安全兼備的防治設備，發展出一套將傳統旋風集塵器、濕式集塵器結合在一起的防制設備，取名為濕式旋風集塵器，目前安裝於中科廠區LSC出口與風管之間，如 圖9所示。

原理

其基本原理是當微粒隨著氣體進入濕式旋風集塵器內時被迫旋轉，大微粒受離心力與重力的影響，撞擊集塵器內壁，且螺旋向下運動被收集，此原理主要是用來處理大粒徑的微粒，微粒向上會經過灑水區，此區利用氣流中微粒與液體接觸後，液滴或液膜擴散附著廢氣中之粒子，或增濕於粒子，使粒子凝結變大，藉重力達到分離的目的。

處理流程

濕式旋風集塵器如 圖10所示，其主要分為五大處理流程：

• 第一段：粉塵通過高速旋轉刷進行過濾，將大粉塵去除
• 第二段：由上層注入之水體，經毛刷的離心力高速甩出，使其形成多層高分子密布之水膜，進行第一段粉塵之抓取，並經由水流重力排出
• 第三段：增加兩段高壓水噴霧，將粉塵與水霧結合並進行沖刷
• 第四段：將粉塵與水霧結合經毛刷的離心力高速甩出，使其形成多層高分子密布之水膜，進行第二段粉塵之抓取
• 第五段：通過高速旋轉刷過濾除霧，並用離心力進行水氣分離

採樣儀器及方法

NMCI(微孔多階衝擊器)

採樣設備主要為NMCI (NCTU Micro-orifice cascade impactor)採樣儀器，如 圖11所示，NMCI 是一台串聯式的多階慣性衝擊器(Model 10R-A)，其將微粒分徑的原理是利用不同粒徑微粒隨氣流加速後有不同的慣性力，大的微粒因慣性力大，所以會直接衝擊在較上層的衝擊板上，小微粒則會隨著氣流轉向而進到下一階衝擊器。為了能收集較小顆的微粒，必須逐漸將氣流加速，提高小微粒的慣性力，讓小微粒能衝擊到收集板上，所以MOUDI採樣器中各階衝擊器的氣流速度隨著階數增加而提高，上層衝擊器噴嘴的數目較少，孔徑也較大。在設計流量30L/min的操作條件下，(Model 10R-A)可將懸浮微粒分徑為18、10、5.6、2.5、1.8、1.0、0.56、0.32、0.18、0.10及＜0.10µm (after filter)等10個粒徑區間。

採樣氣體入口端管徑為4mm、內徑為2.5mm，NMCI進口採樣流量固定為30L/min，由於設備內的微粒濃度未知，故採樣時間至現場才進行評估，評估方法為進行一次測試採樣，在經過不同採樣時間之後將NMCI各階層打開，觀察衝擊板上附著之微粒有無過多或過少的情形，採樣示意圖如 圖12，現場採樣照片如 圖13。

結果與分析

中科廠區與交大蔡春進教授團隊採樣此台裝有Clean Technology濕式旋風集塵器的LSC出口懸浮微粒發現，懸浮微粒粒徑約70%落在0.56~1.0µm，如 圖14。

使用同轉速800rpm來觀察不同灑水水量對去除效率影響發現，當增加水量時對小粒徑懸浮微粒的影響比大粒徑懸浮微粒還大，整體去除效率也優於小水量，其原理為增加小微粒與水滴接觸機率增加攔截，如 圖15。

使用同灑水水量來觀察不同轉速對去除效率影響發現，當增加轉速時對大粒徑懸浮微粒的影響比小粒徑懸浮微粒還大，整體去除效率也優於小轉速，其原理為增加轉速提高離心力及慣性，如 圖16。

綜合不同撒水水量、轉速對去除效率影響發現，大灑水水量與高轉速，整體去除效率較傑出，如 表4與 圖17。

結論

本文研究利用現有LSC出口安裝濕式旋風集塵器來處理細懸浮微粒問題，除可改善PM2.5空氣污染問題，也可解決LSC出口後端風管阻塞問題，本文研究現址式LSC與粒狀物防治設備結合的型式也是未來的發展趨勢，既可解決目前半導體廠房空間利用問題，也替未來新廠區設計時多了一個LSC建置的思考方向，濕式旋風集塵器在高轉速與高灑水水量下，目前去除懸浮微粒的效率可高達87%，相信在未來的發展研究下，可創造出更高的去除效率，達到預期的空品標準。