摘要
從空污及煙流模擬改善運轉廠區AMC微污染
Keywords / CFD,Exhaust Short Circulation,Make-up Air for Clean Room,Micro-Contamination
前言
隨者半導體製程不斷精進下，各製程環境的氣態分子污染物質(airborne molecular contaminant, AMC)已經成為影響製程良率的關鍵因子，半導體生產與製程工作環境一般皆需在無塵室中進行，對於無塵室AMC問題來說，無塵室的新鮮空氣品質一直是重要課題，其主要來源為外氣空調箱MAU(make up air unit, MAU)，其設計位置通常為建築物側牆或屋頂處。MAU外氣污染組成可分為可控制來源以及外部來源，如 圖1[1]，可控制來源為製程廢氣經煙囪排出時，經由大氣擴散以及外氣空調箱的吸引力，重新進入無塵室造成二次汙染，外部的來源包含周遭交通廢氣以及其他工廠排放，通常受到建築位置以及季節風向的影響 。
圖1、AMC來源[1]
檢視F5廠區MAU進氣口位置設計，F5主要MAU進氣口位於CUP南側4F，而煙囪則設置在CUP 8F，當吹東北風時，進氣口位於的煙囪下風處，同時根據IC(Impinger+Ion Chromatography)放樣發現，F5廠區的MAU進氣口污染物(五酸)在冬天時的濃度較高，如 圖2，為進一步確認進氣口與煙囪排放量的關係，兩者在吹東北風時呈現正比關係 ，如 圖3，判斷MAU的部分污染源為製程廢氣經煙囪排出後形成短循環造成。
圖2、2019 MAU入風口IC放樣結果
圖3、MAU進氣口放樣結果與煙囪排放量關係
文獻探討
綜觀過去有關於製程廢氣短循環的研究，陳等人[2]利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析一新建廠區總揮發性有機污染物(total volatile organic compound, TVOC)對MAU吸入口的影響，發現不同季節風對於不同進氣口位置影響不一，而適當的煙囪高度可以有效的降低廠區內煙囪排放之空氣污染物對進氣口之空氣品質的影響。而根據ASHRAE建議[3]，排氣口和外氣引入口盡可能設置在不同的方向，且距離不少於9米。並且外氣引入口離地面高度建議為3.6米，至少不少於1.8米之高度，如外氣引入口安裝於屋頂，則離屋頂需有0.9米的高度。美國工業衛生協會(American Conference of Governmental Industrial Hygienists, 簡稱ACGIH)建議之煙囪高度(含建築物)，如 圖4[4]，總高應至少為建築高度之1.3倍到2倍之間 。而F5廠區煙囪高度為9.6m，建築樓高35m，具上述建議煙囪高度應為10.2米到35米之間。
圖4、ACGIH建議煙囪高度[4]
為預測增高的改善效果，本研究利用CFD數值方法在計算機中對流體力學的控制方程式進行求解，從而可預測流場的流動。近年來利用CFD輔助建築氣流場的預測已有許多例子，比較CFD與傳統高斯擴散模式，李等人[5]發現在較複雜的建築擴散模擬，CFD更能符合實際情況，包括不受地形影響可計算污染物擴散的形狀及濃度分佈，且下游的擴散濃度比高斯模式準確。
研究方法
本研究目的主要是針對改善運轉廠房煙囪短循環進行數值模擬分析，利用實際運轉參數結合當地大氣資料建立的邊界條件，評估不同季節風向跟煙囪高度對MAU進氣口的影響，最後並利用IC放樣檢驗方法確認改善效果。以F5廠區CUP(central utility plant)棟作為研究標的，建立範疇邊界與網格模型，並收集廠區建築物相對的位置、尺寸、空氣汙染物排放資料，運用其條件建立穩態CFD網格模型 ，搭配實際運轉資訊及資料查詢系統收集新竹東區的外氣資料。
模擬模型以F2&5廠房之左上角端點(西哨)為模型幾何中心，如 圖5，F5 CUP煙囪設置在頂樓，而MAU進氣口有兩個分別設置在CUP 4F南側4F(離地約18公尺高度)為主要進氣口，以及FAB RF朝北(離地約24公尺高度)，F5 CUP長L : 48米、寬W : 42米跟高度為H : 46.2米。模擬模型的界定根據J.Bouyera[6] 等人提出設定邊界計算區域大小為參考依據，以F2&5廠房為中心，擴張四周與建築主體上方十倍長度。為使目標物區域有更精確結果，對煙囪出口以及周圍進行局部加密，總網格數為4,777,262，並進行網格獨立性(mesh independent)，計算結果的誤差與網格數量呈現反比關係，且誤差小於1%，確保網格已有足夠的準確性。
圖5、模擬模型(F2&5)
模擬案例比較不同季節風向設計及煙囪高度之情形，分別為夏冬季風，夏天平均風速及風向為2.7(m/s)、38°； 冬天平均風速及風向為4(m/s)、236°。煙囪排放的化學物質是以排放量以及出風口風量換算的體積分率設定，如 表1。原始煙囪高度(9.6米)、12米以及15米共6個案例，以模擬中MAU進風口(CUP南側/北側)的化學物濃度做為依據，比較不同煙囪高度影響程度。本研究之基本假設分別如下[7] :
| 煙囪編號 | Species | 排放量(g/s) | 出口風量(CMH) | 煙囪排氣濃度(ppm) |
|---|---|---|---|---|
| P103 | Sulfuric acid | 2.10*10-3 (g/s) | 80000CMH | 2.38*10-2 |
| P104 | Sulfuric acid | 4.93*10-3 (g/s) | 78000CMH | 5.71*10-2 |
| P105 | Sulfuric acid | 4.90*10-3 (g/s) | 50000CMH | 8.85*10-2 |
| P106 | Ammonia | 4.67*10-3 (g/s) | 21000CMH | 1.16 |
- 三維直角坐標系統。
- 不可壓縮流體
- 流體為均質性(Homogeneous)
- 紊流部份用𝑘–𝜀模型來解析
- 不考慮化學物質熱浮力
使用的統御方程式(Governing Equations)為穩態(Steady-state)連續方程式、動量方程式、能量方程式、紊流(Turbulent Kinetic Energy)方程式以及濃度擴散方程式 ，如 表2。
| 統御方程式 | |
|---|---|
| 連續方程式 |  |
| 動量方程式 |  |
| 能量方程式 |  |
| 紊流方程式 |  |
 |
|
| 濃度方程式 |  |
結果與分析
本研究主要以硫酸的排放擴散情形進行模擬，並進行結果分析。由於計算區域為三維空間，因此特定切面的方式針對濃度場之觀察，分別為廠區南北向切面以及建築物(包含進氣口)表面濃度。
本研究案例中，季風風向不同時，濃度影響MAU入口的狀況也會不同。冬天盛行風下污染物對F5南側4F MAU進氣口影響較大，夏天則是對北側MAU(FAB RF)進氣口影響程度較大。在冬季吹東北風時，如 圖6 圖7 圖8所示，原始高度的煙囪(9.6米)排放的污染物因為短循環堆積在CUP棟與69KV之間，當煙囪逐漸增高至15米後，可以發現短循環逐漸改善；比較MAU進氣口的濃度，如 圖9 圖10 圖11所示，南側MAU進氣口平均濃度在原始高度為0.006ppb，當煙囪高度提高至12米，MAU進氣口濃度降低了92.47%，到15米時則是降低99.2%。當外氣為夏季吹西南風時模擬結果，如 圖12 圖13 圖14所示，北側MAU進氣口平均濃度在原始高度為0.001ppb(南側進氣口為0)，ppb煙囪高度增加至12米，北側MAU進氣口濃度降低了54.22%，到15米時下降77.91%。以上可以得知在冬季時增高至15米已可以有效改善煙囪短循環，但在夏季時仍有改善空間，為收斂至最佳高度，以夏季條件增加模擬17米、19米，為方便比較，利用改善效率和施工成本的比值計算單位成本改善效率，如 圖15可以得知，煙囪高度為15米較佳。
圖6、東北風、煙囪原始高度9.6m濃度分佈圖(硫酸濃度)
圖7、東北風、煙囪高度12米濃度分佈圖(硫酸濃度)
圖8、東北風、煙囪高度15米濃度分佈圖(硫酸濃度)
圖9、東北風、煙囪原始高度9.6m建築物表面濃度分佈圖(硫酸濃度)
圖10、東北風、煙囪原始高度12米建築物表面濃度分佈圖(硫酸濃度)
圖11、東北風、煙囪高度15米建築物表面濃度分佈圖(硫酸濃度)
圖12、西南風、煙囪原始高度9.6米建築物表面濃度分佈圖(硫酸濃度)
圖13、西南風、煙囪高度12米建築物表面濃度分佈圖(硫酸濃度)
圖14、西南風、煙囪高度15米建築物表面濃度分佈圖(硫酸濃度)
圖15、單位成本改善效率
利用實際量測比較模擬結果，每週IC採樣(MAU入口)分析結果數值，根據採樣結果比較，如 表3 表4所示，硫酸根離子季改善效率約42%；氟離子F-季改善效率約29%；氯離子Cl-季改善效率約30%；硝酸根離子季改善效率約3.56%；磷酸根離子季改善效率約54%；整體平均改善31.9%，如 圖16。
| unit : ppbv(ui/m3) | F- | Cl- | NO3- | PO43- | SO42- |
|---|---|---|---|---|---|
| 2016Q4 | 0.8369 | 0.590675 | 0.608275 | 0.138713 | 0.79225 |
| 2017Q4 | 0.631125 | 0.743575 | 0.638388 | 0.024 | 0.665913 |
| 2018Q4 | 0.468779 | 0.460279 | 0.51295 | 0.024 | 0.449493 |
| 2019Q4 | 0.61 | 0.73 | 0.53 | 0.02 | 0.61 |
| 2020Q1 | 0.45075 | 0.441 | 0.550833 | 0.024 | 0.364 |
| F- | Cl- | NO3- | PO43- | SO42- | |
|---|---|---|---|---|---|
| 季改善前平均 | 0.64 | 0.63 | 0.57 | 0.05 | 0.63 |
| 季改善後平均 | 0.45 | 0.44 | 0.55 | 0.02 | 0.36 |
| 季改善後效率 | 29.26% | 30.13% | 3.56% | 54.44% | 42.10% |
| 平均改善效率 | 31.90% | ||||
圖16、MAU進氣口五酸改善效率
更進一步換算實際效益，利用AMC濾網的飽和吸附容積(壽命)Q計算式[1] :
其中Cin為濾網上油氣體濃度(ppm)、V為測試風量(CMM)、T為系統內溫度(C)、M為標準氣體分子量(g/mole)，其中飽和吸附容積(壽命)與上游氣體濃度成正比，因此改善進氣口污染物的濃度可延長AMC濾網的使用年限，以F5廠區為例AMC濾網費用計算可年省NT120萬。
結論
本文研究針對運轉廠區排氣系統的設計進行煙流模擬流場的探討，以F5CUP(central utility plant)棟作為研究標的，以實際運轉資料代入邊界條件，利用電腦進行CFD分析，以基準組比較不同外氣條件(不同季節風向、溫度)影響下，各煙囪高度所影響的MAU入口濃度，並以IC放樣及果進行實際驗收比較，其結論歸納如下：
- 根據模擬結果，在冬季吹東北風時，濃度飄散的方向將化學物質吹往西南方，排放的污染物堆積在CUP棟與69KV之間對南側MAU進氣口的化學物質濃度影響較大，當煙囪高度提高至15米時濃度下降99.2%；在夏季西南風時，煙囪的化學物質吹往東北方向，煙囪高度增加到15米時下降77.91%，煙囪加高的改善效果較不顯著。
- 為收斂至最佳高度，以夏季條件增加模擬17米、19米，利用改善效率和施工成本的比值計算單位成本改善效率，15米的高度為最佳選擇。
- 利用IC放樣確認模擬準確性(MAU進氣口)，污染物濃度平均改善效率達31.9%，根據濾網飽和吸附容積推算F5廠區AMC濾網費用可年省NT120萬。
- 本研究旨在整合詳細的分析，透過CFD模擬與數值分析來設計最佳的環境，建議新建廠區或運轉廠可利用本研究之模式 ，預測並比較不同設計之各項工程改善效果，供輔助建築前設計與在永續環境規劃應用。
參考文獻
- AMC微污染控制與化學濾網_工研院_康育豪。
- 煙囪對外氣空調進氣品質的影響與設計廠務期刊no.8 陳駿華，周政隆，張寶額。
- ASHRAE STANDARD 62.1-2004, "Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality".
- ACGIH (American Conference of Governmental Industrial Hygienists)美國工業衛生協會。
- 李沁怡、蔡旭暉、康凌，「建築擾動條件下大氣流動與擴散的CFD模擬」，Research of Environmental Sciences，Vol.26, 2013.
- Bouyer, J., Inard, C., & Musy, M. (2011). Microclimatic coupling as a solution to improve building energy simulation in an urban context. Energy and Buildings, 43, 7, 1549 155 9.
- ANSYS FLUENT: User's Guide, Version 18.2, ANSYS, Inc., USA, 2017.
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