固態污染物_去除效率精進改善

1.前言

1943年美國洛杉磯光煙霧事件造成四百人死亡、1952年倫敦硫氧化物超標造成四千人死亡，在2013年中國 PM2.5 濃度超標，達到六倍紫爆濃度。借鑑歷史，我們可以知道科技發展若沒有重視空污防制，會造成環境及生命的重大危害。近幾年環保意識提升，台灣空氣品質已逐年改善，如圖1所示，台積更希望扮演環保領頭羊，引領供應商，創造永續未來。

半導體製造業中，製程所使用之各種化學品造成無機酸 (硫酸、氫氟酸、鹽酸、硝酸及磷酸)排放，廢氣由機台排放至現址式防制設備(Local Scrubber, LSC)經熱裂解及水洗處理，廢氣再經主風管及共排風管至中央洗滌塔 (Central Scrubber) 水洗後從煙囪排放，全廠煙囪排放至環境須符合法規管制要求。

F15B空污排放標準除須符合半導體製造業空氣污染管制及排放標準外，亦須符合環境影響評估法及科管局之核定總量。因2021年產能增量30%，推估硫酸、氫氟酸、鹽酸排放總量會超過環評及科管局限值，需提前進行減量措施，如圖2所示。

因此，將2020年F15B全廠煙囪無機酸排放量透過柏拉圖分析，以 80/20 法則選擇硫酸、鹽酸及氫氟酸進行改善評估 (如圖3所示)。初步改善評估結果，因硫酸改善需擴增防制設備，現場無空間擺放，訂製設備交期長且須修改管路影響產能，因此針對氫氟酸及鹽酸排放優先進行改善。

2.文獻探討

2.1 微粒捕捉理論

微粒的捕捉方式包含了重力沉降、慣性衝擊、直接截流、靜電吸引，及布朗擴散。重力沉降是藉由地心引力之作用，使微粒沉降。慣性衝擊是藉由慣性作用使無法跟隨流體進行流動之微粒，以直線運動之路徑直接撞擊於障礙物上而被收集，為收集較大微粒的方法之一。直接截留發生於流體流經障礙物時，微粒的中心點與障礙物表面距離小於微粒的半徑時，微粒便會因接觸障礙物而被收集。靜電吸引是微粒與障礙物因電性相反被吸引捕捉的現象。小微粒的擴散現象是造成微粒被收集的重要機制之一，微粒過小時在流體中不規則運動，稱之為布朗運動，其碰觸到障礙物被捕捉稱之布朗擴散。

當微粒越小時，越易受到靜電及布朗擴散作用；當微粒越大：越易受到重力沉降、慣性衝擊、直接截留。較大或較小的微粒都較容易捕捉，但介於兩者間的粒徑反而相對不容易捕捉，其最不易捕捉的粒徑大小稱之為最易穿透粒徑。

2.2 粒狀污染物防治技術

粒狀污染物防治設備選用經常會依立徑尺寸、特性、處理風量不同而選定適合的處理設備，大致可分為以下五種，分別為袋式集塵器(Baghouse)、旋風集塵器(Cyclone)、重力沉降室(Gravity Setting Chamber)、靜電集塵器(Electrostatic Precipitator, ESP)及濕式洗滌塔(Wet Scurbber)，選用時機及處理效率如表1所示。

3.實驗方法

3.1 目標污染物分析

透過主風管無機酸採樣，比對主風管機台清單，並繪製排放地圖，氫氟酸(HF)確認化學氣相沉積製程 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 排放量最高 (圖4)；鹽酸(HCl) 確認擴散製程(Diffusion, Diff)排放量最高 (圖5)。

3.2 文氏管

將文氏管應用於 LSC 加強微粒捕捉，使小微粒長大成大微粒，其原理是運用白努力定律(不可壓縮流體在穩定流場內其動能、位能及壓力守恆)，讓管內漸縮前後的動能、位能及壓力守恆。

由於喉部截面積縮小，壓力降低流速增大，高速氣體將水噴成霧狀，達到慣性衝擊增強捕捉粒狀物的效果，如圖6所示。

3.3 濕式旋風集塵器

將細水霧灑水頭應用於 LSC 加強微粒捕捉小微粒吸水霧後，使其成長為 > 1um以上的大微粒 (圖7)，大微粒再透過新增的濕式離心器將微粒離心至濾網上去除，濾網也透過灑水避免阻塞從側視圖觀察，大微粒從底部進入後，由離心器離心至濾網上，再經由灑水將其清除至水箱 (如圖8所示)。

3.4 二流體噴頭

氣流及水流併稱為二流體(如圖9所示)，氣體高壓噴射將水打散成微米級水霧，將固態微粒吸附水霧後轉變為大顆粒，再利用二流體高比表面積特性將固態微粒捕捉去除。

美國疾病管制與預防中心^[3](Centers for Disease Control and Prevention, CDC)指出，水壓越高除塵效果越好，或單位水量下產生越多水滴其除塵效果也越好，另比較四種灑水頭 (如圖10)，其中以 Atomizing Nozzle也就是二流體噴頭效果最好。

4.結果與分析

4.1 氫氟酸永久對策-強化微粒捕捉能力

康肯廠商將原本的灑水頭更換為兩組二流體噴頭(如圖11)，並將灑水方向改為朝下有助於固液接觸，使微粒成長效果更好。再將一個二流體噴頭斜放噴灑濾網，維持濾網潔淨度，降低系統壓損，維持機台正常運作。另外，新增的濕式離心器，透過離心力將微粒捕捉至濾網。

經工研院粒徑採樣分析，KT1000FA微粒排放量由18.0mg/min下降至1.1mg/min，去除效率改善94%(圖12⒜)。同時進行無機酸採樣分析，鹽酸去除效率改善86%(圖12⒝)。

4.2 鹽酸永久對策-強化微粒捕捉能力

臺禹廠商將原本水箱上的灑水頭更換為兩段式文式管，使微粒經過文式管後增大，直接捕捉至水箱內。測試結果微粒去除效率僅 67% 未達 80% 要求，且切機保養時入口壓力超過限值，造成機台跳機，無法符合運轉需求。經確認，機台跳機為文氏管縮口設計造成，但漸縮管路設計為文氏管去除機制原理無法變更，因此請臺禹重新進行 PDCA 改善鹽酸。

參考二流體成功案例，將既有灑水頭更換為二流體，水箱上新增四組，原水洗段新增一組並改為向上噴灑，使小微粒吸細水霧後成長為大微粒，大微粒再經由臺禹既有的旋風集塵器將微粒離心至管壁去除。(圖13)

改善後經工研院粒徑採樣分析，IPI-SGA-310B+ 微粒排放量由99.6mg/min下降至14.0mg/min，去除效率改善86% (圖14⒜)。同時進行無機酸採樣分析，鹽酸去除效率改善87% (圖14⒝)。

5.結論

透過主風管氣體監測器或無機酸量測結果確認改善前後的去除效率，氫氟酸主風管改善效率 89 – 92% 可長期維持132天以上，氟氣監測值穩定降至 warning 值以下約 0 - 200 ppb；鹽酸主風管改善效率 95 – 98% 可長期維持70天以上，LSC 改善效率 83 – 89% 可長期維持57天以上。