酸性 / 鹼性 / 有機氣體煙霧處理系統原理及實務介紹 主講者 : 林錕松博士 元智大學化材系教授暨環境科技研究中心主任 2012/7/30
內容綱要 酸性 / 鹼性 / 有機氣體煙霧簡介 去除處理系統原理與技術處理流程 酸性 / 鹼性 / 有機氣體煙霧控制及處理案例 酸性 / 鹼性 / 有機氣體煙霧整體管制策略
酸性 / 鹼性 / 有機氣體煙霧簡介 酸性 / 鹼性 / 有機氣體煙霧之定義與危害 酸性 / 鹼性 / 有機氣體煙霧來源
簡介 現今工業產品相關製程繁雜多樣且製程中所使用之化學物質種類亦相當繁多, 產生的廢氣依其特性大體分為酸 / 毒性 鹼性 有機性及一般廢氣 排氣中佔最大比例的酸 / 毒 鹼性廢氣 而酸性廢氣中主要包含硫氧化物 氮氧化物 硫化氫 二氧化硫 二氧化氮 二氧化碳等 鹼性廢氣主要包含氨氣和高溫狀態下的金屬氧化物如氫氧化鉀 氫氧化鈉以及揮發性有機廢氣
酸 / 鹼性廢氣危害 (1/7) 空氣污染可嚴重影響個人健康 生態系統和社會 如二氧化硫 二氧化氮等氣體和懸浮粒子可刺激呼吸系統 眼睛, 造成不適 ; 高濃度時可引發心臟病及呼吸系統疾病 一氧化碳與身體血紅蛋白結合, 形成不易分解的碳氧血紅蛋白, 影響血液運送氧氣的能力 二氧化氮在陽光下與空氣中的碳氫化合生化學作用, 形成對流層臭氧和硝酸過氧化乙醘 ( 光化學煙霧的主要成份 )
酸 / 鹼性廢氣危害 (2/7) 碳氫化合物, 尤其是多環性芳香化合物可致癌 氟氯碳化物會破壞臭氧層, 導致更多紫外線抵達地面, 增加患癌的機會 空氣中的煙塵使氣喘患者發作的頻率升高, 也可能使腹中胎兒出生後畸型的機率上升 可能影響生殖系統, 從而導致人類生育能力下降
酸 / 鹼性廢氣危害 (3/7) 世界衛生組織估計, 每年空氣污染造成大約 200 萬人早死, 其中一多半早死的人在發展中國家 1999 年人口數超過 10 萬的城市以及首都城市可吸入顆粒物 (particulate matter,pm10) 的年均估算濃度值
酸 / 鹼性廢氣危害 (4/7) 人類 酸污染對人類最嚴重的影響就是呼吸方面的問題, 二氧化硫和二氧化氮會引起例如哮喘 乾咳 頭痛 和眼睛 鼻子 喉嚨的過敏 酸雨間接的影響就是它會溶解在水中的有毒金屬被水果 蔬菜和動物的組織吸收, 雖然不直接影響, 但是吃下這些東西卻對人類的健康產生嚴重影響 例如 : 累積在動物器官和組織中的汞與腦損傷和神經混亂有所關聯 ; 動物器官中的另一種金屬鋁與腎臟問題有關, 近來也被懷疑與老年癡呆症具關聯性
酸 / 鹼性廢氣危害 (5/7) 建築物和雕像 酸性粒子也會沈積在建築物和雕像上, 造成侵蝕 石灰岩和大理石跟酸接觸後會轉變為一種粉碎物質, 稱為石膏 此外, 橋樑以更快的速度被腐蝕, 鐵路工業和飛機工業同樣的必須花費更多的錢來修補由酸雨造成的損害 酸雨不僅造成了經濟負擔上的問題, 而且也對一般大眾的安全產生危險 舉一個實例,1967 年俄亥俄河上的橋倒塌, 造成 46 人死亡 主要原因就在於酸雨的腐蝕 另外, 酸雨也造成暴露在外的雕像受到侵蝕, 這造成文化資產的破壞, 令許多人擔憂, 同樣的, 酸雨也會對金屬建材產生影響
酸 / 鹼性廢氣危害 (6/7) 農作物和植物 酸雨會影響農作物稻子的葉子, 同時土壤中的金屬元素因被酸雨溶解, 造成礦物質大量流失, 植物無法獲得充足的養分, 將枯萎 死亡 但土壤中因酸雨釋出的金屬也可能為植物吸收造成影響, 這問題極其複雜, 譬如, 酸雨中某些金屬 ( 如, 鐵 ) 的釋出反而有助於植物的生長
酸鹼性廢氣危害 (7/7) 水中生物 酸雨會影響河川或湖泊的 ph 值, 當 ph 值小於 6 將影響到水中生物的生存或繁殖, 當 ph 值小於 5 將導致水中生物大量死亡 可能會影響到養殖魚業 能見度 形成酸雨的物質, 有時亦為形成光化學煙霧的物質 因此即使不降雨, 也常會導致能見度下降
揮發性有機廢氣之危害 (1/2) 其中揮發性有機物 (VOCs) 是指在 20,760 mmhg 下, 蒸氣壓大於 0.1 mmhg 有機化合物 EPA 法規定義 : 有機化合物成份總稱, 不包括甲烷 一氧化碳 二氧化碳 碳酸 碳化物 碳酸鹽 碳酸銨等化合物 一般常見之 VOCs 為汽油 甲苯 酒精 油漆稀釋劑 由於多半 VOCs 均伴隨芳香氣味, 因而使人忽略其危險性, 長期暴露情下, 可能導致人體健康之危害和財產之損失
揮發性有機廢氣之危害 (2/2) 揮發性有機物散布於空氣中, 當排放至大氣後, 經由日照 風力及降雨等各種作用, 可能對於環境產生極大的負面影響 在日光照射下, 揮發性有機物會與氮氧化物進行光化學反應產生臭氧, 進而降低空氣品質 此外, 揮發性有機物散布於空氣中, 民眾容易經由呼吸或接觸引起呼吸系統疾病與皮膚刺激等健康危害
揮發性有機物類別 VOCs, Volatile Organic Compounds, 揮發性有機物 ( 不包括甲烷 一氧化碳 二氧化碳 碳酸 碳化物 碳酸鹽 碳酸銨等化合物 ) THC, Total Hydrocarbons, 總碳氫化合物 NMHC, Non-Methane Hydrocarbon, 非甲烷碳氫化合物 ; THC = CH 4 + NMHC TOG, Total Organic Gas, 總有機氣體 NMOG, Non-Methane Organic Gas, 非甲烷有機氣體 ROG, Reactive Organic Gas, 反應性有機氣體
排放源 人為 揮發性有機物來源 排放特性不完全燃燒製成排放油品揮發溶劑使用生物作用 燃料燃燒 O 露天燃燒 O O 污水廠 / 掩埋場 工業煉油 / 石化 O O O 商業 / 住宅 自然 其他製造業 表面塗裝 表面清洗 加油站 汽車保養 乾洗 印刷 建築裝潢 道路鋪設 消費用品 車輛 O O O O O O O O O O O O O
揮發性有機物影響 環境品質及性惡化之察覺初級效應二級效應 環境暴露的認知 ( 臭味 ) 刺痛 癢的感覺 ( 刺激 ) 空氣品質降低 ( 增加通風 ) 眼睛 呼吸道之相對反應作用 粘膜分泌的改變 呼吸困難 欲改變環境皮膚 黏膜之急性或亞急性類似發炎反應 初級效應二級效應 表面血管擴張 刺痛 癢的感覺 ( 刺激 ) 痛覺 皮膚溫度之改變 亞急性環境壓力反應之效應初級效應二級效應 不舒適 抱怨 ( 頭痛或困乏 ) 其他身體功能上 心理上反應之併發症 改變眼睛 鼻的液體組成 感變臭味閥值 表現行為之改變
揮發性 / 固體有機物處理技術
處理系統原理與技術流程 洗滌技術焚化技術冷凝技術吸脫附技術生物處理技術
洗滌技術簡介 現行高科技產業所排放的酸鹼廢氣皆使用填充式洗滌塔來做處理, 但在先前的研究當中顯示, 目前傳統的填充塔對於低濃度 高風量之酸鹼氣狀污染物的處理效果不佳, 無法符合半導體法規對於酸性廢氣處理效率必需大於 95 % 的規定, 因此處理效率必需大幅提昇
洗滌技術簡介 目前對於無機酸鹼性氣體之處理方法主要以吸收法為主, 其原理為藉由氣液兩相接觸之氣體吸收程序, 將氣體中之溶質吸收輸送至液體內部, 常見之吸收洗滌裝置有 : 噴淋塔 (spary column) 板式吸收塔 (plate absorption tower) 及填充塔 (packed tower) 等, 所用之裝置, 必須能使氣體與液體充分接觸, 以提高吸收效率
污染氣體洗滌技術簡介 其中又以填充塔為各種氣體吸收洗滌塔中最被廣泛使用, 而園區內半導體及光電業廠家, 也多以使用濕式洗滌塔來作為處理酸性及鹼性氣體之防制設施 填充式洗滌塔之構造如圖所示
洗滌技術簡介 塔中通常填充著比表面積甚大之填料物 (packing), 其目的乃欲使氣體與液體間具有充分接觸之機會 操作時, 氣體混合由塔底進入, 液體吸收劑則自塔頂由一分佈器噴淋而下, 然後在其流經填料的途中, 與逆流而上之氣體接觸, 並吸收氣相中之溶質, 遂成一溶液自塔底流出
污染氣體洗滌技術簡介 濕式洗滌填充塔由於其設備為連續式操作, 且濕式洗滌塔通常將洗滌液循環使用, 因此長時間操作之下, 難免會有各種問題發生 若洗滌液中粒狀物含量太高, 將易造成填料 管線 噴嘴 流量計中之粒狀物堆積, 造成噴嘴堵塞 管徑變小或是浮子流量計卡死 又因其為濕式洗滌, 故容易造成洗滌後之氣體相對濕度偏高的問題等
填充塔常見問題 噴淋嘴阻塞 洗滌塔中之粒狀物顆粒易堆積於流速較低的地方如 : 管線 浮子流量計上端 噴嘴口或填料上 其中管線 流量計 噴嘴的堵塞通常可由噴嘴噴出液滴變化得知 ( 噴淋角度變小或偏斜, 流量變小等 ), 除此之外流量計流量不正常, 壓降升高也是一種徵兆 因此, 設計時應選用適當的噴嘴 ( 可通過的液體量及顆粒的大小 ) 及管線口徑, 並且經常清洗, 定時更換洗滌液 而在設計上, 應增設閥及流量計的旁通 (bypass) 管線 並在循環水槽中增設柵欄以阻隔粒狀物被泵吸入
填充塔常見問題 填充物結垢 酸鹼洗滌塔中粒狀物顆粒的堆積, 主要原因為來自廢氣中所攜入的粒狀污染物的沉澱, 以及因化學反應所產生的結晶沉澱, 如 NaOH 水溶液與廢氣中之酸性氣體所形成之鹽類結晶 其解決方法可藉由增加液氣比, 控制 ph 值 增加循環水槽中洗滌液停留時間 增設再分佈器 選擇效果較佳澆注器及添加化學藥劑等方式, 並且每年固定清洗或更換填充物, 來改善操作結垢狀況
填充塔常見問題 洗滌塔之生物黏膜附著 填料 管線 噴嘴 流量計生物黏膜附著的情形, 通常在 VOCs 氧化處理程序中之洗滌塔, 較常出現 但一般酸鹼洗滌塔的操作中並不構成問題, 但若是廢氣中含有揮發性有機物 ( 提供微生物生長所需之碳源 ), 且使用的洗滌液中含有氮鹽 (NO 3 - 或 NH 4+, 如使用地下水, 或廢氣中含有硝酸或氨氣 ), 則生物黏膜生長的情形會較嚴重 一般在設計之初, 即避免 VOCs 與含氨氣或硝酸氣體的廢氣進入同一洗滌塔, 並應避免使用地下水 廢水生物處理後之放流水以及 RO 逆滲透的濃縮廢水 而生物黏膜生長後, 則需於洗滌塔定期維護時, 利用殺菌劑將生物膜剝除 浮子式流量計, 因陽光照射, 容易有青苔生長的問題 平時可將流量計遮蔽, 只在監測流量時將遮蔽物卸下, 監測後再重新遮蔽的方式以避免青苔的生長, 並定期拆卸清洗
填充塔常見問題 白煙問題 濕式洗滌塔, 容易造成洗滌後之氣體, 相對濕度偏高的問題, 一般洗滌塔出口之溫度約為 20 至 30, 相對濕度約為 85 % 至 90 %, 因此, 使排放之煙囪容易產生白煙的問題 所以在設計洗滌塔時, 應注意洗滌液之澆注口不宜過小, 否則易產生液滴, 而使濕度增高 在塔頂增設除霧器 (mist eliminator), 可濾除一些水蒸氣
填充塔常見問題 洗滌塔處理效率降低 當洗滌塔煙道監測濃度過高或有明顯之異味時, 表示其吸收效率降低, 造成這個因素通常是由於循環水之 ph 值過低 循環水量不足 液體分散不均或槽化產生所引起 上述原因造成吸收效率降低 接觸時間不足及短流發生, 因而使處理效率降低 所以, 應檢查 ph 探測針是否正常 加藥系統之泵 閥或管線是否堵塞 循環水之泵 控制閥或管線是否正常 清理液滴分散器或增設再分佈器並檢查清理填充物是否結垢 腐蝕或壓堆變形
洗滌技術簡介 一般而言填料在使用時, 其堆置的方式常可成兩大類 : 1. 任意堆置 (dumped packing) 之填料 2. 整齊堆置 (stacked packing) 之填料 而園區廠家多半使用價廉質輕之塑膠材質填料, 並以任意堆置方式填充 一般在設計洗滌塔時亦須考慮幾個部份
洗滌技術影響因素 尺寸 : 為使氣體速度均勻一致, 並在可能發生迴流之處設置分調節板 噴嘴的選擇 : 一般洗滌液為循環使用, 故高壓噴嘴式的洗滌塔對於所使用的液體要求最嚴格 液體處理設備 : 為防止洗滌液造成環境污染問題, 因此經常循環使用洗滌液以減少廢水量, 但也因此增加了污染物的濃度, 另外選擇不同的洗滌液可同時處理不同的氣體 由於洗滌廢液具有腐蝕性, 故亦需使用防蝕性材質 潤濕因子 : 填充式洗滌塔為一利用洗滌液體與氣狀污染物之氣液接觸, 進而吸收處理污染物之設備 因此, 為了使液體能夠均勻分佈在填充物上, 已增加氣體與液體完全接觸之面積 所以, 洗滌液體的澆注量需符合最小潤濕因子 (Minimum-Wetting Factor:MWF) 值的要求
洗滌技術影響因素 填充物之比表面積 : 填充物有非常多種, 其可選擇之直徑尺寸從 30 mm 到 95 mm 都有 在選擇尺寸時, 應以塔徑之 1/10 至 1/8 為原則, 過大或過小會影響效率 而材質之選擇以惰性 耐酸鹼及便宜為主 填充物之主要功能為 : 使液體能均勻分佈而增加質傳效率及氣 液體在槽中的均勻接觸 因此增加比表面積將增加質傳效率 液氣比 : 洗滌塔是利用液體將空氣中污染物吸收處理, 所以液氣比為一相當重要之操作參數, 其對洗滌塔的效率有很大的影響 操作參數之評估與設計 : 根據 Perry s Chemical Engineers Handbook : 其總傳輸單位數 (Number of overall mass transfer unit;nog), 可由氣液平衡關係求出
填充塔特性 對於酸性氣體洗滌塔而言, 只要知道欲處理之物種, 總氣膜傳輸係數 K G 可由可由 Perry s Chemical Engineers Handbook, 得知在操作條件為 :38 mm ceramic Intalox saddles P=1atm T=16-24 時,HCl HF 與 NH 3 之 K G a 值如表所示 Gas phase reactant Liquid-phase reactant K G a (kmol/h-m) K G a (mol/s-m 3 ) HCl H 2 O 353 98.05 HF H 2 O 152 42.22 NH 3 H 2 O 337 93.61
填充塔比較 (1/2) 設備名稱 交叉流式洗滌塔 (Cross Flow Scrubber) 濕式洗滌塔 (Wet Scrubber) 橫臥式洗滌塔 (Dia-T type Scrubber) 設備特點 1. 設備內外表面有最大之抗腐蝕性, 以確保使用壽命減少維修成本 2. 洗滌塔底部的循環水槽, 提供有 2 至 5 分鐘之循環水量 3. 洗滌液可循環使用, 亦可設計為批次操作或連續式自動操作, 洗滌液分佈設計中採用低壓較大水量之噴嘴, 發揮最之均勻流率, 達到最高之洗滌效率 1. 去除效率高, 以同時處理氣狀與粒狀污染物 2. 設置費用較低 3. 可冷卻高溫氣體, 但易造成設備腐蝕問題 4. 易造成二次污染問題, 並增加排煙之不透光率 5. 對粒狀物粒徑介於.1μm 及 1.0μm 之去除效率較低 1. 由於採橫臥式, 故塔身較低, 可置於建築物項樓或室內 高度受限之區域 2. 設備功能彈性大, 可為單段或多段式藥液吸收層設計 3. 去除效率佳, 操作維護容易
填充塔比較 (2/2) 設備名稱 Wet Cyclone Scrubber Venturi Scrubber Packed Bed Scrubber 設備特點 1. 對於 mist 及 dust 的去除效率較噴霧式為佳 2. 較低的能源需求 3. 使用高壓噴嘴, 產生極小的液滴, 能增進處理效率 1. 對微粒的去除效率可達 80 至 90% 2.pressure drop 易於調整 3. 欲達更高的去除率, 可以使多組串連 1. 流量範圍為 100 至 105acfm 2. 高去除效率與填充塔高度 流率及使用之液體組成有關 3. 能同時提供各種不同的洗滌 4. 多床式的填充塔能同時去除多種的氣體污染物
焚化技術簡介 (1/2) 技術原理 利用高溫燃燒之強烈氧化作用 使廢氣中之標的污染物, 在焚化設備內被氧化破壞而自氣流中移除 正確的焚化溫度設定以及紊流強度與停留時間之設計, 可達到良好的去除效率 ( > 95%)
焚化技術簡介 (2/2) T combustion 1. 污染物特性 ( 含氟 氯 Si) 2. 焚化溫度 ( T com > 720 ) 3. 停留時間 ( > 0.5 sec) 4. 紊流強度 5. 閥門切換時程 T in T out
冷凝技術簡介 (1/2) 技術原理 適用於高沸點 高濃度溶劑蒸氣的控制 回收 利用標的污染物相對較高之沸點 在廢氣與低溫表面接觸過程中 使污染物因廢氣溫度下降達氣 液平衡而凝結 液化, 自氣流中移除 正確的冷凝溫度設定及接觸面積設計, 可達到良好的去除效率 ( > 85%)
冷凝技術簡介 (2/2) 1. 污染物蒸氣壓與溫度關係 2. 冷卻劑入口溫度設定 3. 冷凝器尺寸 ( 熱傳面積 ) 4. 冷凍能力需求 ( 能源消耗 ) 適於處理 : 1. 純溶劑蒸氣 2. 高濃度 (> 5,000 ppmv) 3. 高沸點物質
吸脫附技術簡介 (1/3) 技術原理 適用於揮發性溶劑蒸氣的控制, 回收 利用標的污染物相對較佳之吸附性 在廢氣與吸附劑接觸過程中, 藉氣 固之間的擴散質傳 物理 ( 凡得瓦爾力 ) 吸附 ( 及化學反應 ), 將污染物自氣流中移除 正確的吸附劑選擇及接觸時間設計, 配合適當的操作條件與再生 ( 或換碳 ) 頻率可達到很好的去除效率 ( > 95%)
吸脫附技術簡介 (2/3) 吸附床種類 固定床之功用 耗竭更換 濃縮減量 回收或破壞處理 流體化床 / 轉輪之功用 濃縮減量 回收或破壞處理 1. 高沸點物質 ( 去光阻液 ) 難脫附, 火災危險 2. 反應性成份 (MEK) 高放熱, 火災危險 3. 高 RH, 競爭性吸附 4. 低濃度 吸附量低
吸脫附技術簡介 (3/3) 廢氣特性 廢氣溫度越低越好, 一般建議 40 廢氣相對濕度越低越好, 一般 <40~50%RH 硬體尺寸之設計 空床氣體流速 <30m/min.(90 ~ 100fpm) 吸附劑床厚度 >15cm( 吸脫附 ~ 30 ) 換碳時機 ( 換碳頻率 ) 尾氣濃度超出標準, 或處理效率低於標準 不建議 定期 換碳 廢氣濃度並非穩定 溫度 濕度稍高可藉由增加活性碳用量及縮短吸附週期改善
生物處裡技術簡介 (1/2) 技術原理 利用標的污染物可被微生物分解之特性 在廢氣流過生物反應器過程中, 藉擴散質傳先將污染物傳送至生物膜, 再利用微生物的新陳代謝將污染物轉化為無害之 CO 2 水 無機酸鹽類, 將污染物自氣流中移除 正確的接觸時間設計, 配合適當的操作條件可達到良好的去除效率 (> 85%) (1) 生物濾床 生物膜固定 液相不循環 (2) 生物滴濾塔 生物膜固定 液相循環 (3) 生物洗滌塔 懸浮液 (suspended) 循環
生物處裡技術簡介 (2/2) 生物濾床 1) 污染物本身之生物可分解性 2) 污染物本身之水中溶解度 3) 足夠之停留時間
酸性 / 鹼性 / 有機氣體煙霧控制及處理案例 鋼鐵業酸洗廢氣處理流程規劃改善案例 提升高科技產業酸鹼廢氣處理系統的處理效率 半導體產業 PU 合成皮業污染 製藥製程產業 塑膠業低濃度 VOCs 污染去除技術 光電業有機酸及無機酸共排淨化效能提升技術 鋰電池業 NMP 冷凝吸收器淨化並回收技術
鋼鐵業酸洗廢氣 (1/3) 案例工廠從事不銹鋼鋼材之酸洗代工 廠內酸氣逸散源有混酸槽 酸洗槽及鹽浴池 3 種 其中, 混酸槽廢氣主要含有氟化氫 (HF) 及氮氧化物 (NOx 以 NO 2 為主 ), 廢氣濃度 :HF=1,000 ppm;no 2 =600 ppm; 酸洗槽廢氣主要含有硫酸 (H 2 SO 4 ) 及硫化氫 (H 2 S), 廢氣濃度 :H 2 SO 4 =1,000 ppm; 鹽浴池廢氣成分含有六價鉻 (Cr 6+ ) 氣體 案例工廠將上述酸氣逸散源所收集之廢氣, 使用 3 座串連的濕式洗滌塔處理, 但 NOx 去除效率不高, 排氣中尚有 NOx 100ppm, 該 NOx 主要為含有 NO 2 黃色氣體成分, 故煙囪排氣含有濃濃的黃色煙霧
鋼鐵業酸洗廢氣 (2/3) 案例廠計有 3 座廢氣洗滌塔 ( 編號 B36 B33 及 B133) 串聯使用, 混酸槽廢氣量 16,000 Nm 3 /hr( 簡稱 A 廢氣 ) 進入 B36 填充洗滌塔處理後, 再進入 B33 填充洗滌塔進一步處理 ; 酸洗槽廢氣量 16,000 Nm 3 /hr( 簡稱 B 廢氣 ) 進入 B33 填充洗滌塔處理 ; 混酸槽廢氣量 6,000 Nm 3 /hr( 簡稱 C 廢氣 ), 直接納入 B33 填充洗滌塔處理, 再一同進入 B133 填充洗滌塔進一步處理 ; 另將 35,000 Nm 3 /hr 的鹽浴池廢氣 ( 簡稱 D 廢氣 ) 直接排入 B133 填充洗滌塔, 最後由煙囪排放至大氣 廢氣處理流程圖所示 A 廢氣 B36 B33 B133 B C 廢氣 D 廢氣 淨氣
鋼鐵業酸洗廢氣 (3/3) B133 填充洗滌塔之洗滌液完全循環使用, 並未定期排放, 致使洗滌液所含之鹽類, 超過飽和濃度而析出結晶物質, 致使該結晶物質阻塞填充物, 並附著於風車葉片, 造成風車損壞 廢氣洗滌系統壓損過大, 故廢氣洗滌系統風車排氣量不足, 混酸槽 酸洗槽及鹽浴池作業現場廢氣逸散情形嚴重 廢氣洗滌塔之洗滌液未定期排放, 整體廢氣洗滌系統對 NOx 吸收效果不佳,B133 填充洗滌塔排氣煙囪, 仍有明顯之 NOx 黃煙排出
高科技產業 (1/2) 現行高科技產業所排放的酸鹼廢氣皆使用填充式洗滌塔來做處理, 但在先前的研究當中顯示, 目前傳統的填充塔對於低濃度 高風量之酸鹼氣狀污染物的處理效果不佳, 無法符合半導體法規對於酸性廢氣處理效率必需大於 95 % 的規定, 因此處理效率必需大幅提昇 為了達到提高酸鹼氣體污染物的去除效率, 本研究設計並建造及測試一個高效率的洗滌系統模場, 在原有的填充塔前加設一個噴霧塔, 利用噴霧塔中產生之細微水霧的大比表面積 及極佳的吸收效果, 來提昇洗滌系統的去除效率
高科技產業 (2/2) 國內高科技產業中以半體產業的產值最高, 但其無機酸鹼廢氣排放量也相對的最高 在半導體的製程的氧化 光罩 顯影 蝕刻等步驟中會使用到硫酸 硝酸等許多的無機酸鹼, 這些被大量使用的 HF HCl NH 3 及 H 2 SO 4 液體最後都會產生大量的無機酸鹼廢氣, 必須經由工廠的空氣污染防制設備處理後, 才能排入大氣中 若這些處理設備沒有辦法有效的去除無機酸鹼廢氣, 則勢必會對週遭的環境及居民健康產生重大的危害
半導體產業 (1/4) 對於高科技廠而言, 於去光阻製程常會使用含有二甲基亞碸 (DMSO, Dimethyl sulfoxide, C2H6OS) 之去光阻液 (TOK106 ACT690), 雖絕大多數業者目前都已採用冷凝吸收器進行去光阻製程排氣前之預處理淨化並回收, 回收效率約在 90% 以上, 且都可以符合現行行業別揮發性有機物 (VOCS) 之管制標準, 但對於其所衍生之低濃度 (<5 ppm) 有機惡臭污染物, 礙於既有處理等級限制, 無法將所有問題一併解決, 其中又以二甲基硫 (DMS, Dimethyl sulfide) 和二甲基二硫 (DMDS, Dimethyl disulfide) 等含硫化合物氣體最難處理, 也長期造成業者許多困擾, 這些含硫化合物氣體不但是造成高科技業或相關園區廢水廠空氣污染臭味陳情的主因, 同時也是使被污染之外氣導引進入如半導體晶圓製造廠及 TFT-LCD
半導體產業 (2/4) 業者問題 本案為國內某科學園區廢水廠, 因所處理之廢水含高科技業去光阻機台之 DMSO 廢水, 因此於廢水處理過程 DMSO 還原而產生 DMS 等還原性硫臭味, 以 DMS 而言, 其嗅覺閾值甚低 (<0.011-0.063 ppmv), 大氣中只要含微量 ( 低濃度 ), 就會產生明顯的惡臭氣味, 若以現有空污防制設備, 僅可符合相關行業別之排放標準, 無法完全解決所衍生之臭味問題, 業者無法完全解決廢水廠有機硫臭味之問題 建議技術 本案建議業者採用高效率常溫觸媒除臭設備, 其係利用多孔性吸附劑搭配臭氧加強氧化機制, 以去除及淨化臭味物質 本裝置尤其適用於難處理且臭味濃度在數 ppb 至數 ppm 之高科技或化工或塑膠產業機台或一般廢水廠排放臭味氣體處理, 對於無機與有機臭味之淨化效率相當高 (95-99%), 可以完全解決現有吸附技術無法解決之臭味問題
半導體產業 (3/4) 常溫觸媒濾材結合高級氧化分解除臭設備, 由送風系統將 DMS 氣體導入反應單元後,DMS 與強氧化劑如臭氧等充分混合, 經由觸媒孔洞特性快速吸附, 再藉由臭氧所分解之自由基與觸媒上奈米級過渡金屬 ( 及其金屬氧化物 ) 催化反應, 快速地完全氧化 DMS 進行形成 SO 2 CO 2 及 H 2 O 等產物 DMS 完全氧化程序過程中為首先形成 DMSO 接著形成 DMSO 2, 最後則為 SO 2, 在反應過程當中若提供臭氧量較少, 會讓氧化程度較不足, 並使得產物比例改變, 其主要產物則會為 DMSO( 高沸點且與水互溶之液體 ), 其次為少量之 DMSO 2 ( 固體 ) 會以結晶狀吸附於觸媒孔洞或表面, 而極微量之 SO 2 產物則為最少者, 如此則可大幅提升觸媒吸附材之飽和吸附量由 0.7 wt % (DMS) 至 40 wt % (DMSO) 以上, 並可進一步將 DMSO 再生與回收再利用
半導體產業 (4/4) 控制成效 廢水廠產生之 DMS 濃度約在 200 ppb, 經由本常溫觸媒除臭設備,DMS 之去除效率 >95%, 處理後排出氣體幾乎沒有任何異味, 控制成效如預期, 相當良好 所需經費 以本案處理風量 250 NCMM 之風量規模, 設備之設置成本約 200 萬元, 因濾材之壽命甚長 ( 本案之濾材壽命預估為一年 ), 因此相同效率下操作成本僅一般改質活性碳 10% 左右, 經濟效益甚高
PU 合成皮業 (1/4) PU 皮合成產業, 每台塗佈機臺排氣風量約在 250 NCMM, 在此風量下平均有機溶劑之用量約在 100-120 kg/hr, 主要有機溶劑包括二甲基甲醯胺 (DMF, C3H7NO) 佔 10-15% 甲苯 (toluene) 40-45% 丁酮 (MEK) 40-45% 及其他少於 5% ㄧ般業者都使用固定床活性碳溶劑回收系統, 且採批式 ( 非連續式 ) 操作的方式進行有機氣體之回收再利用, 但在遇到有高反應性的 VOCs ( 如 MEK) 要處理時, 則常因觸媒作用而氧化反應導致大量放熱及變質, 且因固定床活性碳散熱不佳, 易導致碳床著火的問題, 另外在含 DMF 之回收, 因其幾乎全溶於水, 因此採用蒸氣脫附, 將無法直接進行油水分離, 因此只能隨著廢水排放, 並無法進行回收, 進而造成廢水問題, 如此也限制了固定床活性碳應用在多成分有機溶劑之回收或處理 以 PU 皮業單一製程 (250 NCMM) 使用量統計, 每年混合性有機溶劑用量約可達 500 公噸 / 年以上 ( 溶劑用量 800 公噸 / 年 ), 若業者無法回收而直接排放, 不但造成空氣污染排放, 也會衍生空污費負擔問題 ( 每年需繳空污費約 600 萬元 )
PU 合成皮業 (2/4) 分解除臭技術 因業者使用含 Toluene MEK 及 DMF 混合溶劑之頻率及用量甚高, 因此處理技術必須要能同時解決固定床處理含有酮類 (MEK) 高放熱 變質及 DMF 問題, 因此就本案廢氣特性, 建議採用圖 1 所示之改良型流體化浮動床搭配 DMF 預冷凝吸收器作為有機溶劑回收技術 本專利改良技術先將廢氣藉由預冷凝吸收技術將 DMF( 全水溶性且高沸點 ) 溶劑先進行冷凝吸收器之回收 (DMF 回收液濃度實測值達 60%wt 以上 ), 再串聯匯流入流體化浮動床設備, 本設備採用球狀活性碳, 適合在系統中作連續吸附 脫附來回收溶劑 此系統為高安全性的有機溶劑回收系統, 可減少化學品的分解反應及變質, 且運轉費用也不高, 在良好的設計及操作下, 溶劑回收效率可達 90% 以上, 同時其回收下來的溶劑含水率低 (5%wt 以下 ; 可控制低於 1%wt) 純度高 接近中性, 可直接回收至塗佈機台再利用, 是最適合進行有機溶劑之回收設備, 其經濟效益相當大
PU 合成皮業 (3/4) 控制成效 本技術之改良型溶劑回收系統配合工廠量產, 回收含 Toluene MEK DMF 之有機溶劑, 操作成效十分良好, 目前有機溶劑回收率 >90%, 含水率 <1%, 且所回收之混合性有機溶劑, 經業者實際上線測試, 無須再純化即可直接回收再使用, 經濟效益更高 所需經費 以 PU 皮業單一塗佈製程 (250 NCMM) 風量 回收溶劑以 100 kg/h 估計, 比較設置一套改良型流體化浮動床冷凝吸收器以及固定床活性碳吸脫附設備如表
PU 合成皮業 (4/4) 經濟衝擊 ( 萬元 ) 採用技術別能源消耗二次污染 初設成本 年操作成本 溶劑回收效益 流體化浮動床活 性碳吸脫附回收 當量電力 :100 kw 氮氣 :10 m 3 /h 無 1,800 200 720 公噸 / 年 固定床活性吸脫附回收 電力 :50 kw 蒸氣 :1000 kg/h 有機溶劑廢水 ( 蒸氣脫附含水率 高 ) 600 450 250-270 公噸 / 年 ( 含 MEK 時不能回收 )
製藥製程產業 (1/3) 本案為國外知名大藥廠, 由於製藥製程使用相當多之有機溶劑, 但所產生高濃度有機溶劑之氣量很小, 約 10 NCMM 純 VOCs 氣, 主要產生之 VOCs 成分為異丙醇 45% 甲苯 45%, 及少量二氯甲烷與其他 VOCs 約 10% ;VOCs 產生量約在 200-400 kg/h, 有機溶劑用量相當大 (800-2,000 公噸 / 年 ), 為ㄧ使用有機溶劑相當高之製程 目前業者將上述高濃度 VOCs 廢氣, 經由外部空氣氣體稀釋約 30 倍後, 導入蓄熱式焚化爐進行 VOCs 之廢氣焚化破壞處理, 然後尾氣再導入溼式洗滌塔進行酸鹼中和處理後並排放, 由於該藥廠製程生產係採用批次式, 因此其所排放廢氣量及濃度係間斷批次式, 同時為了避免二氯甲烷完全燃燒後之衍生物鹽酸腐蝕及二次污染問題, 因而致使該蓄熱式焚化爐操作成本很高, 能源耗損量大, 因此業者希望能找到適合之技術進行高濃度 VOCs 之處理
製藥製程產業 (2/3) 本案主要 VOCs 排放廢氣屬於低氣量極高濃度特徵, 氣量與設備之設置成本成正比, 在考量溶劑具有回收價值前提下, 建議業者能將此股氣體進行回收, 不但可以降低設備之設置 操作成本, 回收後之溶劑也具有相當高之經濟效益 以本案廢氣特性, 建議業者可以採用壓變式吸脫附溶劑回收設備 (PSA unit), 此系統將有機溶劑利用壓力變換之原理 ( 常壓吸附 低壓脫附再生 ), 採兩槽以上輪流進行進料加壓吸附及低壓真空脫附, 來回收有機溶劑, 脫附後之 VOCs 再藉由冷凝設備進行冷凝回收, 為一高效率低耗能之溶劑回收設備
製藥製程產業 (3/3) 控制成效 採用壓變式吸脫附溶劑回收設備系統進行低氣量極高濃度有機溶劑回收, 有機溶劑回收效率經實驗室模擬測試可達 >90% 所需經費 以業者使用有機溶劑用量相當高的情況下, 且以 10 NCMM 純 VOCs 氣量經實驗室模擬測試放大預估之系統操作耗電量僅約 65 kw, 非常省電, 其設置及操作費用彙整比較如下表 採用技術別設置成本年操作成本回收溶劑 壓變式吸脫附溶劑回收設備 1,000 萬元 / 套 105 萬元 / 年 1,200 公噸 / 年 蓄熱式焚化爐 + 溼式洗滌塔 2,500 萬元 / 套 450 萬元 / 年無
塑膠產業 (1/3) 國內許多塑膠製品製造之傳統產業業者會將塑膠料 (ABS PP PE) 經由高溫加熱 (150-250 o C), 再經由射出成型機臺加工, 作為塑膠之半成品或成品, 塑膠經由加熱反應會溢散出刺鼻性塑膠味道, 此部分氣味為 VOCs 所衍生之味道, 所溢散出來之 VOCs 主要是一些苯環類有機物, 所產生之氣味為可分為間歇性或連續性, 本案所偵測到之 THC (as CH 4 ) 約在 1-2 ppm 間, 屬於低濃度間歇性 VOCs 排放
塑膠產業 (2/3) ㄧ般對於低濃度 VOCs 所衍生之臭味, 並不好處理, 主要是因為濃度低 風量大, 因此在採用傳統 VOCs 防制設備都無法達到很好的處理效率或經濟效益, 有關於此類 VOCs, 建議可以常溫臭氧觸媒除臭系統, 進行低濃度 VOCs 之除臭改善規劃, 本技術結合臭氧產生系統加上高反應性蜂巢狀吸附觸媒, 能夠有效降低濃度 VOCs 及臭氧快速吸附於觸媒微孔洞表面上並進一步進行氧化反應, 以確保臭味問題能完全解決, 且所使用之觸媒不需如一般活性碳吸附濾材定期更換及低濃度再釋氣 (out gassing) 問題, 蜂巢狀吸附觸媒使用壽命高達 5 年以上, 操作成本非常低, 其中蜂巢狀觸媒吸附床可採一般盤式設計或環式設計
塑膠產業 (3/3) 控制成效 本技術於實廠測試塑膠射出機臺除臭效果,THC 減量 >90%, 除了儀器量測處理效率外, 處理前後味道有非常明顯之去除, 幾乎沒有任何異味產生 所需經費 本技術所需經費甚低, 尤其觸媒濾材之壽命 >5 年, 是非常具經濟效益之低濃度有機臭味處理技術 檢測項目入口濃度 (ppb) 出口濃度 (ppb) 處理效率 THC 1,000-1,500 50-100 >90% 項目適用 VOCs 濃度 (ppmv) 預期效率設置成本 VOCs <5 低濃度 VOCs 去除率 >90% 約 300-400 萬 / 套
光電產業 (1/2) 光電業於蝕刻製程 ( 濕式化學蝕刻 ) 乃是利用液體化學物質與基質表面的特定材料反應溶出, 其中蝕刻製程所產生酸氣成分包括有機酸之醋酸以及無機酸之硝酸與部份鹽酸 硫酸 磷酸 氫氟酸等有機及無機酸共排現象, 因此於光電廠除了常有酸氣排放臭味及處理效率須分別同時符合法規有機物及無機酸排放標準之問題 目前業者多數採用濕式洗滌搭配酸鹼中和設備, 對於水溶性佳且解離性高的酸性氣體有不錯的淨化處理效果, 但是因為濕式洗滌技術對於低濃度時 (<3 ppmv) 之酸性氣體處理效果並不佳, 尤其針對部分酸氣 ( 如醋酸及氫氟酸 ) 之嗅味閾值甚低 (10 ppb), 使用傳統空污處理設備, 無法達到排氣標準之要求, 也因此經常衍生臭味陳情之問題 本案業者目前採用濕式洗滌設備處理酸性氣體, 排氣風量約 600 NCMM, 酸性氣體主要成份為醋酸及硝酸且其處理效率約在 80-85%, 處理後之主要之醋酸及硝酸氣體大約還有 2-5 ppmv, 因此無法完全解決因酸氣所衍生之臭味問題
光電產業 (2/2) 本案主要為濕式洗滌設備處理製程酸性排起所衍生之臭味問題, 因此選擇處理技術必須要符合能處理低濃度有機及無機酸氣以及耐高濕度之環境之技術, 因此若於後端加裝ㄧ般除臭常用之活性碳吸附設備, 將無法達到此廢氣條件下之性能及壽命要求, 因此建議業者採用常溫除臭觸媒濾材, 藉由對於特定吸附材之改質, 提升對於酸性氣體之吸附能力, 也同時具備耐高濕度之操作環境, 再搭配線上再生與改質技術, 可大幅延長觸媒濾材壽命達 2 年以上, 如此即可解決業者所面臨之問題
鋰電池產業 (1/4) 國內許多鋰電池製造業之電極製造程序中, 其漿料在塗佈機台塗佈成極板時為達較佳的分散性, 因而漿料中將採用大量的高沸點有機溶劑, 尤其是使用含氮的有機溶媒 N- 甲基吡咯烷酮 (NMP, 2-Pyrrolidinone, 1-methyl-, C 5 H 9 NO), 若直接排放或予以焚化處理, 均可能會導致嚴重的環境污染
鋰電池產業 (2/4) ㄧ般鋰電池之塗佈機台的排氣量為 50 NCMM, 排氣溫度為 80 o C 左右, 而所排放的 NMP 一般為 30-50 kg/h, 其相當於濃度為 2255-3760 ppm, 若採用 RTO 焚化處理勢必將面臨高濃度焚化蓄熱床過溫問題 衍生物 NO x 脫硝再處理, 高沸點 (NMP 沸點為 202 ) 殘留在蓄熱床下方結焦 (Tar) 及停機再悶燃疑慮下, 由於鋰電池用 NMP 為極高單價的溶劑 ( 一般市價 130 元 / 公斤約為甲苯價格 6 倍 ), 因此建議採用冷凝吸收器搭配熱回收裝置技術, 其乃藉由專利方法之雙段式冷凝水產生凝結核成長與包覆吸收作用, 並配合高效率除霧器與熱回收裝置,NMP 淨化回收效率 >90%, 所冷凝吸收下來的 NMP 回收液濃度高達 75%wt 以上, 然而所需冷凍能力僅僅 10-15 USRT ( 美制冷凍噸 ), 冰水供應溫度 7 o C, 相當於耗電量 10-15 kw
鋰電池產業 (3/4) 所需經費 本技術所需經費甚低, 若以一套塗佈機 50 NCMM 計算, 其設備價格僅約 300 萬元整 ; 若為四套塗佈機則風量約為 200 NCMM, 其設備價格約 900 萬元 以上冷凝吸收器搭配熱回收裝置價格遠低於焚化爐 + 脫硝設備之價格, 一般 200 NCMM 之焚化爐 + 脫硝設備之價格為 2,000 萬元以上
鋰電池產業 (4/4) 淨化後排放 塗佈機 冷凝吸收器搭配熱回收裝置示意圖 NMP 回收液 ( 至純化設備 )
酸性 / 鹼性 / 有機氣體煙霧整體管制策略 危害氣體整體管制綱要 危害氣體減量策略
危害氣體煙霧整體管制策略 (1/3) 空氣的清潔 要使每個人都有安全又健生的空氣可呼吸, 尤其是小孩 老人和呼吸失調的人們可免受空氣污染的危害 減少空氣污染同時也可保護環境, 讓多方受益, 諸如恢復受傷生態系統的生機, 以及減少主賴生態系統者的健康危害 廢料的更好管理 要使工廠之廢棄有妥善的儲存 處理和排放, 以防止它們對人體和環境的傷害 ; 將全力清理過去已受污染的土地, 使它復原並使周邊社區人民有安全 舒適地使用 同時對廢棄物或工業公害的發生做有效的反應與防止
危害氣體煙霧整體管制策略 (2/3) 污染的防止與減少 將以最經濟的成本來消除, 減少或小量排族和污染來作為污染的防止和災害管理的策略, 來達成更清潔更安全的環境以適合居住 工作和享受生活 意外的應變 環保事故頻繁, 應變的技術與處理, 急待成立
危害氣體煙霧整體管制策略 (3/3) 危害氣體應制定之規範 建立完善的空氣品質監測系統, 以便迅速反應空氣品質現況, 保障民眾健康 財產之安全 建立污染源自動監測制度 設立對氮氧化物, 揮發性有機氣體和地面臭氧之監測網 減少或消除都市煙霧, 設定到公元 2010 時, 能減少氮氧化物, 揮發性有機氣體之排放量 40% 室內空氣污染是個人暴露空氣污染的主源, 也是主要影響健康的根據 應從事研究 教育以及制訂法規與鼓勵從事制定室內空氣管理計劃
Q & A 敬請先進批評指導 Thank you for your kind attention!
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