摘要
濕式製程微粒攔截新技術應用(WET-EP)
Keywords / HT-SPM,Electrostatic precipitator(EP),PM2.55,Wet-EP,corona discharge
本研究主要針對高溫硫酸清洗機台(HT-SPM)排放的廢氣進行改善，該設備除了化學品用量的增加外，從N16到N3風量也由2,400CMH增加到7,200CMH。這些廢氣中不僅含有大量的酸鹼氣體，更因酸鹼混排產生了大量的PM2.5。過去在處理酸鹼氣體時皆使用現址式濕式洗滌塔(Wet Local Scrubber, WLSC)，雖然對酸鹼氣體的去除效率可達90%，但對PM2.5的處理效率不佳。為了能夠有效地同時處理酸鹼氣體及PM2.5，本團隊率先導入濕式靜電集塵器(Wet-EP)來處理HT-SPM的廢氣。測試結果顯示，Wet-EP對酸鹼氣體及PM2.5的去除效率分別為91%及93%。本團隊將持續評估Wet-EP於常溫酸槽機台的應用，以期每年減少數十噸至數百噸之PM2.5，朝零排放之願景邁進。
In this work, we focus on enhancing the performance of treating exhaust gases caused by HT-SPM process. For HT-SPM tool, from N16 to N3 process, it not only increases the use of chemicals, but also increases the exhaust gas flowrate from 2,400 to 7,200 CMH. The exhaust gases from HT-SPM process contain great amount of acid and base gases, such as NH3 and H2SO4, as well as PM2.5. Traditionally, wet type local scrubber(WLSC) is used to treat acid and base gases having destruction removal efficiency(DRE) as high as 90%, yet the particle removal efficiency(PRE) is low. Thus, we firstly imported a wet electrostatic precipitator(Wet-EP) to treat acid, base gases and PM2.5 emitted from HT-SPM process at the same time. The results show that the DRE for acid and base gases could be as high as 90%, and PRE for PM2.5 is about 91%. According to this success case, our team will keep on evaluating the application of Wet-EP on treating exhaust gases resulting from normal SPM process or other tools, hoping to decrease dozens to hundreds tons of PM2.5 emission.
1. 前言
本廠煙道排放自檢的結果顯示，VEX煙囪的氨氣(NH3)及硫酸(H2SO4)氣體的排放量較SEX及AEX高，代表這些廢氣在進入VEX前未被妥善處理。從煙道到機台端尋找來源後發現這些氣體主要由高溫硫酸清洗機台(HT-SPM)貢獻。因HT-SPM除了使用到酸鹼化學品外，也使用了IPA來清洗wafer，故而選擇以VEX-沸石轉輪系統來處理有機氣體。雖然在HT-SPM的下游已經以高效的水洗式的WLSC Das Salix5000來去除酸鹼氣體，但仍有大量的酸鹼氣體被排放至煙道。進一步採樣發現，HT-SPM除了會產生大量的酸鹼氣體外亦會產生高濃度的PM2.5，而這些PM2.5經主要為硫酸銨(NH4)2SO4微粒。由於Salix對PM2.5的去除效率不佳，且氣流在經過Salix後會形成高濕度的環境，使固態硫酸銨微粒潮解為液態微粒，進而再釋放出氨氣及酸氣[1]，導致廢氣中的NH3及H2SO4氣體濃度較高，顯示了去除設備對PM2.5控制的重要性。有鑑於此，如何同時處理氣狀及粒狀汙染物成了一大挑戰。
目前廠內大多以WLSC搭配加藥來去除酸鹼氣體，雖然氣體破壞去除效率(destruction removal efficiency, DRE)可達90%以上，但對微粒去除效率(particle removal efficiency, PRE)不佳，尤其是PM2.5。去除PM2.5的主要方式有過濾和靜電集塵兩種。EP的初設成本較高，且有安全性的考量，但後續的保養成本則較更換濾材來的低，且EP對PM2.5的去除效率可達90%以上。雖然EP對PM2.5的去除效率高但卻無法處理酸鹼氣體，而WLSC則相反。為了能夠同時處理酸鹼氣體及PM2.5，本團隊嘗試將WLSC與EP結合，導入溼式靜電集塵技術(Wet-EP)，同時也克服傳統乾式EP及安全性的問題，並應用在處理HT-SPM清洗機台排放的廢氣。
2. 文獻回顧
本廠由HT-SPM排放的硫酸銨微粒的粒徑皆小於2.5m (PM2.5)，因此袋式集塵器及靜電集塵器為最有效的去除方式。然而，袋式集塵器的壓損會隨著風量及微粒負荷量的增加而變大，除了需定期更換濾材外，當壓損增加時風車加載所帶來的能耗也不容小覷。相較之下，靜電集塵器可操作在高風量的環境下，因此考慮到操作風量及微粒負荷的問題，對HT-SPM排放的廢氣而言，靜電集塵器為最佳可行性技術。
2.1 靜電集塵器(EP)
靜電集塵可去除所有能帶電的固體粉塵及液體霧滴，並且可處理較大的廢氣量與粉塵量，一般設計良好的靜電集塵器，除塵效率皆可達95%以上。EP主要由放電電極與收集板兩部分組成，當施加在放電電極之電壓達到臨界電壓(critical voltage)時，周圍的氣體將會離子化，並產生高濃度的自由電荷，此現象稱為「電暈放電(corona discharge)」。
儘管EP對微粒具有極佳的處理效率，且已廣泛的被使用於業界，但仍有些需要克服的問題。例如 : 當累積在收集板表面的微粒負荷量增加時會導致EP的收集效率降低。為了解決此問題，最有效的方式就是在收集板的表面增加水流，在微粒達到一定的負荷量後以水洗的方式清洗集塵板，如此一來就可以避免上述的狀況發生，這種方式亦稱為「濕式靜電集塵」技術(wet electrostatic precipitator, Wet-EP)。Wet-EP除了能夠減少效率下降的問題外，也有研究發現，增加氣膠流中的濕度能夠降低微粒電阻係數，使EP的收集效率增加[2]。因此後續便有更多研究投入Wet-EP的研發，並將其商業化。
2.2 濕式靜電集塵器(Wet-EP)
Wet-EP清洗集塵板的方式包含噴霧法及水氣凝結法兩種。噴霧法即在集塵器上方或下方噴入水霧，在集塵板表面形成一道水膜來去除累積的微粒，也是最常見的方式。一般而言，電暈放電時的電流越高，充電區的離子濃度也越高，微粒的收集效率也越好。但當操作電流高至某一程度時，容易產生閃火現象，因此電壓與電流的平衡也是EP的重要設計參數之一。另外也有研究指出，當電壓電流控制得宜時，在水霧進入Wet-EP後，藉由電暈放電使液滴帶電後會大幅提高次微米微粒(<1µm)的去除效率。
在實場測試部分，有人以Wet-EP來處理焚化爐燃燒的後的廢氣，結果顯示微粒之去除效率可達97.5％[3]。由此可知，Wet-EP對細微粒及奈米微粒都有極高的去除效率，若用於處理HT-SPM排放的PM2.5是一種經濟有效的處理方式。然而這些研究及測試僅探討了如何以Wet-EP去除PM2.5，但未針對排氣中的酸鹼氣體進一步處理。故此，以Wet-EP處理PM2.5的同時也能夠有效的去除酸鹼氣體為本團隊的目標。最簡單的方式就是將WLSC及EP結合，然而在設計及操作條件的控制卻相當困難，還另需考量安全性的問題。
2.3 EP理論與效率模式
因Wet-EP主要是由EP結構上的改良而來，其理論收集模式分為兩個部分，第一部分為微粒的充電效率，第二部分為微粒的收集效率。本文參考文獻中的的靜電集塵器收集效率模式計算[4]。其中微粒的電移動度(Zp)扮演了相當重要的角色，Zp越大代表微粒越容易被收集，其計算方式如式1 :
其中，np=微粒的總帶電量；e=基本電荷1.6X10-19C；µ=空氣黏滯係數(kg/m-s)；Dp=微粒粒徑(m)。
3. 研究方法
3.1 Wet-EP之設計與結構
因HT-SPM製程會使用到H2SO4、H2O2、NH4OH、D-HF及IPA等化學品，因此在排氣中會產生硫酸、氨氣、IPA及PM2.5。而為了處理IPA，目前都是以Salix5000處理HT-SPM產生的酸鹼氣體，再藉由沸石轉輪系統去除IPA，然而這樣的方式卻無法處理PM2.5。根據硫酸銨微粒的特性，未被處理的硫酸銨PM2.5經過Salix5000後的高濕度環境會形成液滴，進而再釋放出H2SO4及NH3氣體，導致煙道的排放量上升。另外當這些微粒因後段風管的相對溼度降低，會再次結晶並且導致沸石轉輪的蜂巢式結構被阻塞，使得有效吸附面積變小，進而影響VOC的去除效率。針對此問題，本團隊與廠商合作依據需求設計的Wet-EP如 圖1所示(model : ECO-83-H, Chiyo Co., Ltd, Hsinchu, Taiwan)。此Wet-EP為雙塔式的結構，操作風量為5000CMH，前段為水洗單元用於去除酸鹼氣體；後段為除塵單元用於處理PM2.5。當氣流進入Wet-EP後，會先經過含有填充物的填充層，以灑水的方式將下方填充物潤溼。當酸鹼氣體經過此段後，將氣態中高濃度的酸鹼氣體分子傳輸到液相中，再藉由循環灑水及補充新鮮水的功能來維持效率，此設計與原理和一般的WLSC相同。值得注意的是，水霧的作用會導致前段水洗單元有部分微粒凝核成長。氣流進入後段除塵單元前會先經過一道除霧層，用於去除較水滴和部分經由凝核成長的大微粒以減少除塵單元的負荷。溼式靜電集塵的部分則是採用噴霧式的方法產生細水霧，當細水霧充電時可以增加微粒的收集效率，並且因為微粒與水霧同時被收集在集塵板上，當集塵板上的水量累積到一定的程度後，會帶動累積的微粒向下流動至排水箱(Tank1)中，藉此來達到全時溼式不斷電。放電電極則是以具有高耐腐蝕性的哈式合金(Hastelloy)製成以增加電極的使用壽命。廢氣中的酸鹼氣體及PM2.5藉由Wet-EP處理完後，再經過VEX至沸石轉輪系統處理IPA等有機物質。
圖1、Wet-EP之架構示意圖
3.2 Wet-EP安全設計與認證
Wet-EP的操作電流與電壓需控制在一定範圍內，否則會引發閃火現象並導致停機。另外，因處理的廢氣中含有IPA可能會有爆炸風險，因此本研究對這兩個部分進行了一系列的安全評估及改良。Wet-EP採用定電壓變電流的方式來產生電暈放電，可以將電壓固定在安全值避免停機風險並維持微粒的充電效率，使Wet-EP的PRE不易改變。當細水霧濃度較高或是電極板髒汙時，因定電壓的關係會導致電流的變化。基於安全考量，當電流接近Arc Point時，Wet-EP會啟動保護機制暫時停止供電並停止上灑水，待水氣濃度降低時會再自動緩慢加載至設定電流並同時監測電壓的變化。對IPA而言，經評估後HT-SPM排放的IPA濃度約為1000-2000ppm，小於5000ppm(<1/4LEL)，故不會有起火或爆炸風險。除此之外，該設備不僅取得了SEMI S2安全認證(圖2)，也取得了歐洲合格認證(Conformite Europeenne, CE)及北美國家安規認證(Maryland Electrical Testing, MET)。
圖2、SEMI S2安全認證報告
3.3 酸鹼氣體DRE與PM2.5 PRE驗證
本團隊委託工研院(ITRI)做為第三方驗證單位來評估Wet-EP與Salix5000的DRE與PRE。酸鹼氣體部分，以傅立葉轉換紅外光譜儀(Fourier Transform Infrared spectroscopy, FTIR)量測Salix5000或Wet-EP入口及出口濃度。而PM2.5部分則是以可以對微粒分徑的微孔均勻沉降衝擊器(Micro-Orifice Uniform Deposition Impactor, MOUDI)來量測去除設備的上下游濃度及粒徑分布。另外，也以固氣分離器(denuder)採樣進一步分析微粒的組成及更精準的氣體濃度。值得注意的是，過去在驗證DRE時，因為機台有N(N=6-12)個腔體(chamber)出口會直接藉由風管連接至去除設備，因此在量測入口濃度時往往會以單一腔體風管的入口濃度來代表總入口濃度，這樣的方式可能會造成採樣誤差，並錯估DRE或PRE。因此在本次的測試中，我們先將所有腔體出口風管匯集至裝有C-PVC透明箱的風管，用以量測匯集後的總入出口濃度，並且在入出口同時採樣以得到更精確且具代表性的數據，如 圖3所示。另外，本次配管時將Salix5000及Wet-EP並聯(圖4)，藉由插板的切換來評估兩者的效率，並且以2-3章節的理論模式與實測數據比較。除了效率的驗證外，本研究也在Wet-EP裝設前後量測煙囪廢氣中的酸鹼氣體濃度，以此進一步驗證將Salix5000更換為Wet-EP後對煙道排放量的影響。
圖3、Wet-EP現場配置圖
圖4、Wet-EP & Das Salix5000並聯測試示意圖
4. 結果與討論
4.1 PRE與DRE
量測結果顯示，HT-SPM排放的微粒主要為PM2.5(圖5⒜)，其中又以0.4-1.0µm占最多，約為總質量濃度的63% (圖5⒝)，進一步將進出口的PM2.5濃度與風量進一步換算為去除效率的結果如 表1所示。Wet-EP對0.1µm以下微粒的PRE為87%；0.1-0.4µm為86%；0.4-1.0µm為94%；1.0-2.5µm為89%；2.5-10µm為86%，PM2.5的去除效率為91.2%。相較之下Salix5000的PM2.5的去除效率僅為36.6%(過去測試結果)。顯示了將Salix5000更換為Wet-EP可以大幅的減少PM2.5的排放量。
圖5、Wet-EP入口，左 : PM2.5質量濃度分布。右 : 各個粒徑微粒占比
| 粒徑(μm) | inlet | outlet | inlet | outlet | PRE* |
|---|---|---|---|---|---|
| mass conc. (μg/m3) | Emission (mg/min) | ||||
| <0.1 | 406.7 | 55.6 | 44.8 | 5.7 | 87% |
| 0.1-0.4 | 1,967.6 | 294.1 | 216.9 | 30.4 | 86% |
| 0.4-1.0 | 6,591.5 | 455.6 | 726.7 | 47.1 | 94% |
| 1.0-2.5 | 1,386.4 | 167.0 | 152.9 | 17.3 | 89% |
| 2.5-10.0 | 110.6 | 16.8 | 12.2 | 1.7 | 86% |
| >10 | - | - | - | - | - |
| PM1.0 | 8,965.7 | 805.3 | 988.4 | 83.3 | 92% |
| PM2.5 | 10,352.2 | 972.3 | 1,141.3 | 100.6 | 91% |
| PM10 | 10,462.8 | 989.1 | 1,153.5 | 102.3 | 91% |
| TSP | 10,462.8 | 989.1 | 1,153.5 | 102.3 | 91% |
在氣體部分(表2)，Wet-EP對NH3氣體具有極佳的去除效率，約為95.5%，且對IPA也有75.6的去除效率。然而對H2SO4的去除效果卻不佳，僅有41.5%。這主要是因為在製程中大部分的酸氣皆與鹼氣混和成PM2.5，且因鹼氣的用量較大，因此絕大多數的酸氣都被反應為微粒，而多餘的鹼氣則隨著排氣進入風管。由過去的測試結果已知，當酸鹼氣體在低濃度時，會有去除效率不佳的問題。由可結果可知HT-SPM排放的硫酸氣體含量極低，煙囪硫酸氣體濃度過高的問題主要是由PM2.5潮解為液滴後再釋放出酸鹼氣體導致。在用水量方面，Salix5000為16.7L/min，Wet-EP為8.5L/min，約為Salix5000的1/2。年用水量節省了約300,000NTD/m3。
| Test condition | Water usage(L/min) | EP condition | NH3 gas conc.(ppm) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| kV | mA | Inlet | Outlet | DRE(%) | ||||
| Process full run(IPA, NH3, H2O2 HF, H2SO4) | 8.5 | 22.6 | 20.3 | 32.8 | 1.5 | 95.5 | ||
| IPA gas conc.(ppm) | ||||||||
| Inlet | Outlet | DRE (%) | ||||||
| 893 | 232 | 75.6 | ||||||
| H2SO4 gas conc.(ppb) | ||||||||
| Inlet | Outlet | DRE (%) | ||||||
| 10.4 | 6.08 | 41.5 | ||||||
4.2 Wet-EP理論模式vs.實測結果
Wet-EP理論線與實際值的比較結果如 圖6所示，理論線是根據的2.3章節之模式計算得到，而實際值則是根據ITRI的MOUDI採樣結果計算所得。結果顯示，對<0.1µm的微粒的實際效率較理論效率低了約10%，這可能是因為在手動採樣時因<0.1µm微粒的質量濃度較低所造成的採樣誤差。而0.8µm以上的微粒PRE之實際值高於理論值約5-12%，這是因為前段水洗有部分凝核成長及去除較大顆微粒的功能。由結果可以看出，理論收集效率曲線呈U型結構，與文獻提及的相同。另外，微粒最低的收集效率為80%@0.8µm，這是因為基於安全考量將Wet-EP的操作電流控制在20.3mA的安全值，若是將操作電流提高到25.0mA，則收集效率會高於90%，且對HT-SPM排放的PM2.5之總PRE可提高至95-97%，然而這需要更進一步的安全評估與設計。
圖6、Wet-EP PRE : 理論vs.實際測值
4.3 煙道採樣分析
煙囪採樣的結果顯示，在HT-SPM(JDCRSH)下游改以Wet-EP後，煙道VOC0102、VOC0304、及VOC0506(F12P6採兩台轉輪共管一煙囪之設計)之硫酸年排放量分由0.51、0.14及0.21ton/year降低為0.29、0.12及0.20ton/year，共降低了0.24 ton/year，如 圖7所示。進一步採樣及分析VEX煙道及硫酸的來源後發現，VOC下游機台的硫酸用量約有99%的供應到HT-SPM製程。目前為止，本廠區仍有4台HT-SPM未改善，因此若是全部改以Wet-EP處理該製程的廢氣大幅減少硫酸的排放並解決PM2.5的問題。
圖7、煙囪採樣結果
5. 結論
本團隊於2020年導入Wet-EP並應用於處理HT-SPM製程產生的廢氣，並評估及分析VEX煙囪硫酸氣體過高的原因。結果發現主要是由製程端產生的PM2.5經過Salix5000吸溼潮解(RH>95%)後形成的硫酸銨液滴，進而再釋放出酸鹼氣體導致。經改善後不論是在機台下游或是煙道均看到了顯著的成效。根據採樣結果，單台HT-SPM在全年全時運轉的條件下(full run)，PM2.5的排放量為0.6ton/year，若以Wet-EP處理廢氣，不僅可以將PM2.5的排放量降低為0.06ton/year，還能解決大部分酸鹼的問題。以F12P6為例，若HT-SPM下游全部配置Wet-EP，則每年能減少2.73ton的PM2.5及1.44ton的硫酸氣體，距離綠色製造更進一步，而目前Wet-EP也已經被納入HT-SPM的標準處理設備(BOM表)。後續本團隊將持續評估Wet-EP用於處理其它製程廢氣的可行性及效益。
參考文獻
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