在半導體行業處理工業廢氣方面,“沸石轉輪吸附濃縮 + RTO(蓄熱式熱氧化爐)”組合系統確實是目前最先進、最高效、最可靠的解決方案之一,尤其適用于處理大風量、低濃度的揮發性有機物(VOCs)廢氣,而這正是半導體制造工藝中常見的廢氣特點。
系統工作原理
1.沸石轉輪吸附濃縮:
*吸附段: 來自生產工藝(如光刻、刻蝕、清洗、CVD/PVD、離子注入、擴散等)的大風量、低濃度廢氣首先經過預處理(如去除顆粒物、酸性/堿性氣體、水分調節),然后通過沸石分子篩轉輪的吸附區。沸石具有高比表面積、規則的微孔結構和疏水性,對VOCs(如異丙醇、丙酮、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯、HMDS、光刻膠溶劑等)具有高選擇性吸附能力,而空氣(主要是氮氣、氧氣)則基本不被吸附而直接排放(達標)。
*脫附段: 吸附飽和的轉輪部分旋轉至脫附區。在此區域,一股小流量(通常是處理風量的1/20 - 1/30)、高溫(180-220℃)的熱空氣(通常來自RTO的余熱或額外加熱)逆向通過轉輪,將吸附的VOCs強力脫附出來,形成小風量、高濃度的脫附廢氣。
*冷卻段: 脫附后的高溫轉輪部分旋轉至冷卻區,被冷卻空氣降溫,為下一個吸附循環做準備。
2.RTO 熱力氧化:
*從沸石轉輪脫附出來的小風量、高濃度VOCs廢氣被送入RTO燃燒室。
*RTO的核心是填充了陶瓷蓄熱體的多個熱交換室(通常為兩室、三室或多室)。
*高濃度廢氣在燃燒室中被加熱到750-850℃ 的高溫,在充足停留時間(通常>0.75秒)下,VOCs被徹底氧化分解成無害的二氧化碳(CO?)和水蒸氣(H?O),同時釋放熱量。
*蓄熱原理: 凈化后的高溫氣體通過陶瓷蓄熱體時,將熱量傳遞給蓄熱體。通過切換閥的周期性切換,廢氣流動方向改變,冷廢氣進入時從已被加熱的蓄熱體中吸收熱量,預熱到接近氧化溫度,大幅降低維持氧化溫度所需的燃料消耗(通常自持運行,甚至可輸出熱能)。陶瓷蓄熱體交替進行吸熱和放熱,實現高效的熱量回收(熱回收效率通常>95%)。
在半導體行業的適用性與優勢
1.處理大風量、低濃度廢氣效率高: 半導體Fab的排氣系統風量巨大,但VOCs濃度通常很低(幾十ppm級別)。沸石轉輪將大風量廢氣濃縮成小風量高濃度廢氣,使后續RTO處理的能耗顯著降低,系統整體效率和經濟性極高。
2.處理復雜VOCs組分能力強: 沸石轉輪(特別是疏水沸石)對半導體工藝中常見的多種極性、非極性溶劑VOCs都有良好的吸附性能。RTO的高溫氧化則能徹底破壞幾乎所有的有機化合物,包括難降解的含氟、含硅化合物(在確保足夠溫度和停留時間的前提下)。
3.高去除效率: 組合系統通常可實現VOCs總去除率>99%,滿足全球最嚴格的排放標準(如中國大陸的國標、臺灣省的法規、歐美SEMI標準等)。
4.高可靠性與穩定性: RTO運行穩定,抗濃度波動能力強。沸石轉輪壽命長(通常5-10年以上),維護相對簡單。系統自動化程度高,易于集成到Fab的中央控制系統。
5.低運行成本(長期):
*超高熱回收效率: RTO極高的熱回收效率使處理高濃度廢氣時所需補充的燃料極少,甚至不需要(自持運行)。
*低電耗: 濃縮后處理風量大幅降低,RTO風機功率顯著小于直接處理大風量廢氣的設備。
*沸石壽命長: 減少了耗材更換成本。
6.安全性: RTO燃燒室設計安全,配備完善的火焰檢測、溫度監控、防爆泄壓等安全措施。沸石本身為無機材料,不易燃。
7.應對未來法規升級: 該系統的高效性為未來可能更嚴格的排放標準預留了空間。
應用中的關鍵考慮因素
1.廢氣預處理至關重要:
*高效除塵: 半導體廢氣中可能含有細微顆粒(粉塵、金屬氧化物等),必須通過高效過濾器(如HEPA、ULPA)去除,絕對防止堵塞沸石微孔或磨損轉輪。
*酸/堿廢氣處理: 如果廢氣中含有HF、HCl、H?SO?霧、NH?等,必須在進入沸石轉輪前有效去除(通常使用洗滌塔),否則會腐蝕設備、破壞沸石結構。
*除濕/濕度控制: 雖然疏水沸石性能優異,但過高的濕度(接近飽和)仍可能影響吸附效率。有時需要冷卻除濕或調節廢氣溫度以控制相對濕度。
2.沸石選擇: 需根據半導體工藝產生的具體VOCs成分(種類、濃度、極性、分子大小)選擇最合適的沸石類型(如疏水型ZSM-5, Silicalite-1等)。
3.RTO 設計:
*足夠高的氧化溫度與停留時間: 確保含氟、含硅等難降解VOCs被徹底分解,防止產生二噁英(PCDD/Fs)。
*處理含硅/含氟廢氣: 氧化產物(如SiO?、HF)會腐蝕設備或堵塞蓄熱體。需要:
*使用耐腐蝕材料(如高等級不銹鋼或特殊合金)。
*可能需要特殊的蓄熱體結構或材料。
*必須配備高效的后處理系統,通常是急冷塔 + 濕式洗滌塔(堿洗),以去除HF、SiO?微粒和其他酸性氣體。洗滌廢液需要妥善處理。
*熱能回收利用: 最大化利用凈化氣余熱(如預熱脫附氣、加熱工藝熱水、車間采暖等),提高整體能源效率。
4.系統集成與控制: 需要先進的PLC/DCS控制系統,實現轉輪轉速、脫附溫度、閥門切換、燃燒控制、安全聯鎖等的精確自動控制。
5.維護保養: 定期檢查更換過濾器、清洗洗滌塔、檢查沸石轉輪性能、清理RTO蓄熱體(如因硅沉積)、校準儀表等。
“沸石轉輪吸附濃縮 + RTO + 后處理(洗滌塔)”系統是半導體行業處理含VOCs、含硅/含氟等復雜工業廢氣的最佳可行技術(BAT)之一。它完美解決了半導體Fab大風量、低濃度、多組分廢氣的處理難題,提供了卓越的去除效率、可靠性和長期運行經濟性。然而,其成功應用高度依賴于精細的工程設計、嚴格的廢氣預處理、針對性的設備選材(尤其應對硅/氟)以及完善的自動化控制與維護計劃。對于半導體制造商來說,投資這樣的系統不僅是滿足環保合規的必需,也是實現可持續發展和承擔社會責任的重要體現。
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