摘要
綠色製造 - VOC雙轉輪系統處理效率提升與LOW NOx運行參數
The purpose of starting using the dual rotors VOC is to increase destruction efficiency and lower the emission released for airborne contamination reduction. Presently, the Fab18 of TSMC has used two different vendor makes of VOC devices D and J. For the single rotor, the destruction efficiency would get up to 95%. Therefore, the dual rotor design was except to get above 99% of destruction efficiency, and emission dramatically reduced to 1/5 of the single rotor design. However, vendor company J has to fund the NOx, and the device processing efficiency is insufficient of TSMC standard. After being invited by all experts from different fab and company J to get inspection check and hardware/software improvement. The VOC destruction efficiency gets increased from 97% to 99%, and the emissions are reduced from 34 tons/yr to 11 tons/yr. The purpose of this article is to share the way of improvement for company J's dual rotor VOC system and emissions reduction parameter adjustment.
1. 前言
隨著科技進步，環保意識抬頭，其中揮發性有機物(Volatile Organic Compounds, VOC)與氮氧化物(Nitrogen Oxides, NOx)更為各環保單位監控污染物，以現行法令為VOCs削減率需大於90%(式1)或排放量<0.6kg/hr，如何做到更低排放量更是公司努力的目標；揮發性有機物排放削減率(以下簡稱削減率)：指揮發性有機物經污染防制設備處理後之排放量削減百分比，依同步檢測污染防制設備前端及後端廢氣排放量進行計算(式1)：
其中，R=削減率；E=進入污染防制設備前之揮發性有機物單位小時排放量，單位為kg/hr；Eo=經污染防制設備處理後逕排大氣之揮發性有機物單位小時排放量，單位為kg/hr。
透過公式可了解到平均處理效率由99%降至98%，表示廠區VOCs排放量增加為原來的一倍，更何況處理效率觸至法定異常排放標準90%，排放量達原本設計的10倍之多；氮氧化物在空氣中會反應形成硝酸，為酸雨之主要成份，目前半導體法規限制排放量為15PPM，但地方機關核可之排放量逐年限縮，目前F18A環評限制總排放量為每年35噸；本論文由VOCs雙轉輪處理系統設計面出發，提出先進製程廠區VOCs雙轉輪系統可能面臨之挑戰。
2. 文獻探討
燃燒過程中的氮氧化物(NOx)的形成，基本上來自高溫環境下，氮原子和氧原子的化學反應。從燃燒系統中排放出的NOx主要為一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，通常以NO佔大部分，約在90%以上，而NO2量較少。根據中華民國燃燒協會[1]介紹，NO的形成，一般可分成三方面 : 熱NO(thermal NO)、燃料NO(fuel NO)、速成NO(prompt NO)，熱NO升成與溫度有強烈關係，可透過降低溫度達到減量效果；燃料NO為燃料中含N基經燃燒氧化後形成NO，目前科學園區內皆限制使用CH4做為燃料，可排除燃料NO生成可能；速成NO為燃料衍生基與N2的化學反應，產生NO；根據Zeldovich等人[2]所提出內容，溫度與氧氣濃度會影響到NO的形成速率，所以NO的釋放一般都是隨空燃比與火焰溫度增加而升高；另Lyngfelt等人[3]於文獻中提到，可利用調整燃燒空氣量控制汙染物排放，不過減少NO升成的同時，可能造成CO2或SO2排放增加，需尋找最適合運轉之參數；Yamagishi等人[4]以CH4做為燃料討論分段燃燒對NOx的排放影響，其中提到預混空氣與燃燒空氣比例對NOx的影響，分為預混火焰與無預混空氣是為擴散型火焰，發現無預混空氣與NO生成成正相關。
3. 研究方法
設計面檢核
3.1 濃縮倍率檢核與入口成份分析
邀請工研院協助分析N5量產廠區VOCs處理設備入口濃度與成分，與以N7量產廠推估之入口濃度與成分進行比較(圖1、圖2)，發現使用之有機溶劑占比明顯不同，以雙轉輪處理設備設計之處理效率99%進行計算與設計之濃縮倍率(20倍)進行檢核，濃縮後之VOCs濃度與燃燒爐設計規範之1/4爆炸下限值(Lower Explosive Limit, LEL)相差約1300ppm(表1)；若N3製程VOC入口濃度高於212ppm，需調整雙轉輪處理設備之濃縮比，以避免爆炸之風險。
圖1、VOC入口成分佔比(N7推估N5)
圖2、VOC入口成分佔比(N5實測)
| N5入口濃度 | LEL(爆炸下限) | 1/4 LEL | VOC 20倍濃縮 |
|---|---|---|---|
| 147(PPM@solvent) | 17000 | 4250 | 2940 |
3.2 爐頭設計與過溫問題
J公司原使用設計之入口VOCs濃度計算使用N7量產廠成分，依據此量計算燃燒爐需提供之單位熱量，選用4M爐頭應可符合TSMC RFP發包要求，但N5量產廠使用有機溶劑之物料變更，以及直燃式燃燒爐之熱回收率的錯估，導致於20倍濃縮倍率下，雙轉輪系統爐膛燃燒熱將大於設計之自持熱量，導致過溫問題影響設備妥善率(表2)。
| 爐頭所需熱量 | 熱回收率 | VOC生成熱 | 脫附風量 | 入口風量 | 自持濃度 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 設計值 | 1661212Kcal/hr | 61% | 6916kcal/kg | 7214NCMH | 144233NCMH | 189.7ppm |
| 實際值 | 1796765Kcal/hr | 72% | 6594kcal/kg | 8013NCMH | 144276NCMH | 125.8ppm |
3.3 濃縮倍數與衍伸問題
為解決上節所提之燃燒爐過溫問題，將濃縮比由20倍調整至12倍，可有效減緩燃燒爐過溫現象，不過在調整濃縮比時會改變進入燃燒爐內的單位風量，因而提高NOx的生成量，第一次試車檢測發現單台VOC出口NOx濃度最高可達6 PPM，年排放量達19.56噸(F18A許可量為35噸)，已佔用F18A 56%之排放量。
3.4 操作單元流場與VOC處理效率
為提高VOC處理效率，檢測VOC各單元，尋找可能造成排放量高的原因(圖3)，隨檢測後發現，排放濃度最高點為風管Bypass處。
圖3、VOC單元排放檢測示意圖
與J公司研究後發現，①因建廠時主風管高度受限，主風管與設備連接處從彎頭改用四通(圖4)，導致壓損增加，並於四通處擾流增強，進而導致有機氣體流向Bypass造成洩漏；②Bypass處逆止風門設置位置貼近煙囪，根據白努力原理(如式2)，煙道流速約17.5m/s，會於煙囪測產生吸力，使VOCs Bypass至風管，此兩點使J公司雙轉輪處理設備效率降低，為提高效率，需將入口靜壓時常保持在-200Pa以上，才能達到98%以上處理效率。
圖4、流場單元壓損檢核圖
圖5、D公司現場設備側拍照
圖6、D公司現場設備Bypass照
4. 結果分析
硬體檢核與改善
4.1 爐頭正確選型
VOC雙轉輪處理系統使用之燃燒爐頭皆使用M牌爐頭，M牌提供之爐頭分為2M、4M、8M、14M等型號(圖7)，不同型號所能提供的最大、最小熱量也隨爐頭大小增大而增加，參考N7入口VOCs成份與預估N5使用solvent濃度，設計選用之爐頭為4M爐頭，但如章節二中所提到之N5原物料濃度增加與TO爐熱回收效率低估等問題，導致4M爐頭提供之熱量大於需求；因此新擴充設備於選爐頭時，建議選用2M爐頭；現行M牌爐頭已停止生產，改為使用E牌(圖8)，其爐頭燃燒最低熱量選用接近原M牌之2M爐頭，可減少遇到過溫問題的可能性。
圖7、舊版燃燒爐頭選型
圖8、新版燃燒爐投選型
4.2 NOx參數調整
為減少NOx排放，根據3T原則(燃燒溫度、燃燒時間、紊流混合)，分為3步驟調整燃燒爐參數 : ①原設計燃燒溫度為732度，確認VOCs成分後，查表確認，在不影響VOC處理前提之下，調低燃燒溫度至710度；②觀察燃燒爐火焰焰型發現爐頭生成之火焰為擴散型火焰，調整燃燒爐CDA使用量，進而改變焰型，使其較為集中，減少與空氣反應之面積；③將濃縮比由12倍調整為14倍，減少進燃燒爐之風量；透過三步驟調整參數以改變NOx的生成量。(圖9)
圖9、18廠參數調整、NOx減量紀錄
4.3 操作單元流場改善
為章節二所提到2點，於新擴充之處理設備進行改善；主風管與設備銜接處之四通，改用彎頭進行銜接，雖因高度影響，彎頭直徑無法到達1D只能使用0.6D，但對於壓差依然可減少約100Pa之壓損(圖10)；將Bypass風門前移至風管中間段(圖10)，降低煙囪對其產生之影響，此2項改善後，入口靜壓從原先需保持-200Pa降至-50Pa，同時處理效率也由98%提高至99%。
圖10、VOC新設計單元流場檢核
5. 結論
5.1 DRE上升
在一系列改善後，J公司雙轉輪處理設備效率由原先97%提高至99%，VOCs排放量從34.5公噸/年降至11.5公噸/年，年排放量減少約3倍。(表3)
| 平均入口濃度(PPM)@CH4 | 風量(CMH) | 去除效率 | 出口濃度(PPM)@CH4 | 年排放量(Ton/Y) |
|---|---|---|---|---|
| 263 | 700000 | 99% | 2.63 | 11.5194 |
| 263 | 700000 | 97% | 7.89 | 34.5582 |
5.2 NOx排放改善
因前述之燃燒熱質過高導致過溫問題，F18P2預計新增3rd Exchanger Bypas可提高處理量，降低TO爐熱回收率，提高濃縮倍率，進而達到NOx減量與避免TO爐過溫跳脫之功效。
5.3 建議
在這次18廠使用J公司的VOC雙轉輪處理設備的經驗得到一些Lesson learn :
- 二次處理設備入口以彎頭設計以利減少壓損。
- Bypass風門安裝位置應遠離出口煙囪，移動至風管中段。
- 未來量產廠入口濃度將愈來愈高，VOC濃縮倍率與燃燒熱需特別注意
此外對於Nox排放部分，未來NOx排放限制會越來越嚴苛，除了脫附風量在最佳化調整外，國外已有Low Nox burner相關產品，在未來建廠可以考慮使用這些新的設計，以更靠近空污零排放的願景。
參考文獻
- 台灣省鍋爐協會。
- ZELDOVICH, YA. B., SADOVNIKOV, P. YA. and FRANKKAMENETSKII,D. A. "Oxidation of nitrogen in combustion"and"The Mathematical Theory of Combustion and Explosions"
- Anders Lyngfelt,Lars-Erik Amand,Maria Karlsson and Bo Leckner "Reduction of N2O emissions from fluidised bed combustion by Reversed air staging"
- KAZUO YAMAGISHI, MASAAKI NOZAWA, TERUKAZU YOSHIE,TSUNENORI TOKUMOTO, AND YASUO KAKEGAWA "A STUDY OF NOx EMISSION CHARACTERISTICS IN TWO STAGE COMBUSTION"
- 楊喬然，林大惠「分段空氣燃燒與超焓燃燒之技術發展」。
- James A.Miller,Craig Bowman, "Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion"
- C.P.Fenimore, "Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames"
- Yong Lu,Iikka Hippinen and Antero Jahkola, "Control of NOx and N2O in pressurized fluidized-bed combustion"
- Hartmut Spliethoff,Ullrich Greul,Helmut Rudiger and Klaus R.G.Hein"Basic effects on NOx emissions in air staging and reburning at a bench-scale test facility"
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