大功率半导体器件生产线的酸雾净化系统设计.pdf

大功率半导体器件生产线的酸雾净化系统设计 李 杨 株洲南车时代电气公司, 湖南 株洲 412001 摘要 介绍了大功率半导体器件生产线的酸雾净化系统设计, 该系统可靠性高, 结构合理, 实现了对酸碱废气的净化处 理, 为类似工程的设计提供了参考。 关键词 酸雾净化系统; 设计; 净化吸收塔 D E S I G NO FA C I DMI S TP U R I F Y I N GS Y S T E M F O RP R O D U C T I O N L I N EO FH I G HP O WE RS E MI C O N D U C T O RD E V I C E S L i Y a n g Z h u z h o uC S RT i m e sE l e c t r i cC o . , L t d , Z h u z h o u412001, C h i n a Ab s t r a c t T h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dmo s t l yt h ed e s i g no f t h e a c i dm i s t d e c o n t a m i n a t i n g s y s t e mf o r t h ep r o d u c t i o nl i n e ah i g hp o w - e r s e mi c o n d u c t o r d e v i c e s .T h es y s t e mh a s h i g hr e l i a b i l i t y a n dr e a s o n a b l e c o n f i g u r a t i o na n dc o u l db eu s e dt oc l e a nt h e a c i da n d a l k a l i e x h a u s t g a s e s .Wh i c hma yb ear e f e r e n c ef o r s i m i l a r p r o j e c t sd e c o n t a mi n a t i n gs y s t e md e s i g n . Ke y wo r d s a c i dm i s t d e c o n t a m i n a t i n gs y s t e m;d e s i g n ;d e c o n t a m i n a t i n ga b s o r b i n gt o w e r 0 引言 株洲时代电气股份有限公司位于株洲市石峰区 田心工业区 。它经过四十年的发展, 已成为国内电力 电子行业最大的大功率半导体器件制造商 ,主要产品 有 4英寸和 3英寸硅片。现有生产能力及生产装置 已不能满足日益扩大的市场需求 ,拟在半导体厂内建 设半导体生产Ⅱ线。 设计年产 20万片 3英寸硅片能力, 主要产品有 3英寸以下, 3 400 V 以下普通晶闸管等。在生产过 程中有较多酸碱尾气排出 , 主要为 H C l 、H F 和部分 N H3气体, 为了保护环境需对尾气进行净化处理以达 到国家允许排放标准 。 1 酸雾净化系统设计思路 酸碱废气主要来源于硅片处理工序, 废气中的主 要污染物为 H C l 、H F 和 N H3, 工艺流程简述为 投 片 ※ 电阻率测试 ※清洗 ※闭管铝沉积 ※检验 1※闭 管镓扩散 ※氧化 ※一次光刻 ※磷沉积 ※检验 2※二 次光刻 ※ 硼扩散 ※ 割圆 ※清洗※烧结 ※蒸发 ※合金 化 ※ 铝刻蚀 ※ 喷砂 ※磨角 ※ 喷腐 ※保护 ※ 中测 ※封 装 ※ 出厂测试※喷砂 ※ 入库。 1. 1 酸雾净化系统抽风管道设计 生产线工艺设备布置在五楼 ,酸雾净化布置在六 楼顶层 。该生产线分两个系统进行抽风、酸雾净化。 每个系统由 12路支管分别接至各生产设备进行抽 风 ,根据各设备所需的抽风量进行风管大小计算, 支 管流速控制在 8 m/s 左右。总管流速控制在 10 m/s 左右。风管材料采用耐腐蚀玻璃钢材料 。因为该车 间为洁净车间,所以根据各工艺设备抽风量的要求另 外增 加 10的 安 全 系 数, 计 算 系 统 总 风 量 为 13 000 ～ 15 000 m 3 /h 。 1. 2 酸雾净化系统管径的选择 在已知流量和确定流速以后 ,管道断面尺寸可按 式 1 计算 D 4Q πv 1 式中 D 管道直径 , m ; Q 体积流量 , m 3 /s ; υ 管内流体的平均流速, m/s 。 1. 3 酸雾净化系统管道内气体流动的压力损失 按照流体力学原理, 流体在流动过程中, 由于阻 力的作用产生压力损失。根据阻力产生的原因不同, 可分为沿程阻力和局部阻力。沿程阻力是流体在直 70 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 管中流动时与管壁之间的互相位移产生磨擦阻力。 局部阻力是流体流经管道中的某些管件 如三通、阀 门 、 管道出入口及入流量计等 或设备时, 由于流速 的方向和大小发生变化产生急流而造成的局部阻力。 沿程阻力可按式 2 计算 ΔPmλ l 4Rs v 2 ρ 2 2 式中 ΔPm 摩擦阻力 , P a ; λ 磨擦阻力系数 ; v 风管内空气平均流速, m/s ; ρ 空气的密度, k g /m 3; l 风管的长度, m ; Rs 风管的水力半径, m 。 1. 4 酸雾系统净化吸收装置的设计 根据酸雾系统净化吸收塔内气液接触部件的结 构形式 ,一般可将净化吸收塔设备分为两大类 填料 塔与板式塔 。填料塔属于微分接触, 逆流操作 。吸收 塔内以填料作为气液接触的基本构件 。在大功率半 导体器件生产过程中所产生的尾气与吸收液 N a O H 物料系统易起泡沫, 反应吸收效率高 , 使用可靠性能 稳定。所以该项目采用填料吸收塔较好。 1. 4. 1 填料塔操作性能的好坏与所选用的填料有直 接关系 净化吸收塔内填充填料的主要目的是提供足够 大的表面积 。促使气液两相充分接触 ,对气液流动又 不致造成过大的阻力 。目前国内市场填料种类较多, 填料类型的选择要根据净化吸收塔所处理的介质、浓 度 、 效率来选择填料品种及计算填料堆积高度 。 1. 4. 2 净化吸收塔塔径的计算 净化吸收塔塔径计算公式类似于流体输送过程 中的管径计算公式, 净化吸收塔塔径可按式 3 计算 D 4V s πv 3 式中 D 塔径 , m ; V s 操作条件下流过净化吸收塔的混合气 体体积流量, m 3 /s ; v 混合气体的空塔气速, m/s 。 V s是沿塔身向上不断减小的变量, 但计算中一 般为进塔的最大气体量。空塔气速是以空塔截面积 的气体流速 ,显然它比流过填料层实际空隙的气流速 度要小 。 1. 4. 3 净化吸收塔内中和吸收液的选用 该项目所产生的尾气主要为 H C l 、H F 和部分 N H3,主要以酸性气体为主, 所以设计以 N a O H作为 中和吸收液较为合理 。 废气在塔内进行充分接触中和吸收反应, 生成的 盐要定期送至废水处理站进行处理 。 1. 4. 4 喷淋液量的计算 喷淋液使用量是根据物料反应, 吸收率等因素来 确定。一般情况就是按气液比来计算 。大功率半导 体器件生产 Ⅱ线的一个酸碱废气处理系统的处理流 量为15 000 m 3 /h , 液气比按 1 ～ 1. 25 L /m 3 计算。 1. 4. 5 净化吸收塔材料的设计 净化吸收塔所用材料均采用耐酸碱腐蚀的材料 。 1. 5 风机噪声治理 为了降低风机噪声,本厂在六楼建了隔声房。使 噪声完全达到 G B 12348 -90工业企业厂界噪声标 准 Ⅱ类标准 。 2 酸雾净化系统吸收塔的选型 公司派员到各地进行调研考察, 选用合适的净化 吸收塔 ,经过一段时间调研考察和招投标等一系列过 程 ,最终确认常州市武进净化设备有限公司生产的玻 璃钢酸雾净化塔 D G S - B - 15型符合公司废气处理项 目的设计需要。 D G S - B 系列玻璃钢酸雾净化吸收塔适用于处理 化工、机械电子、冶金等行业在生产中产生的氯化氢 气体、 硫化氢气体 、 氟化氢气体、氨气等水溶性气体的 净化设备 ,它具有结构紧凑, 耐腐蚀, 耐老化 ,净化效 率高,便于维护管理等特点 。净化后的气体达到国家 排放标准 G B 16297 -1996大气污染物综合排放标 准 二级。 2. 1 D G S - B - 15型净化吸收塔 D G S - B - 15 型 净 化 吸 收 塔 外 型 尺 寸 为 1 900 m m3 350 m m ; 贮液箱规格为 2 400 m m 1 900 m m 800 m m 。处理流量为 15 000 m 3 /h ; 塔内 阻力为 450 ～ 500 P a 。净化吸收塔的内外筒体 、 贮液 箱 、 匀压室、顶盖 、 进排风口等部件匀采用耐腐蚀玻璃 钢材料制作 ,喷淋系统采用 P P 管材及 Y - 1型喷头制 作 ; 填料采用 P P 材料的保尔环 , 挡液器采用 P P 材 料 。配套风机 G B F4- 72- 12№8C 高强度离心风机 带 减震 台 座减 震 器 流 量 为 15 700 m 3 /h ; 全 压 为 1 481 P a ; 电机功率为 11 k W; 配套循环泵为 50F Y S - 25耐腐蚀液下泵; 流量为 25 m 3 /h ; 扬程为 16 m ; 电机 71 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 功率为 4 k W。 2. 2 主要几种气体的净化效率 主要几种气体的净化效率见表 1。 表 1 主要气体净化效率 中和吸收液酸雾初始浓度 / m g m- 3净化效率 / 2 ～ 6氢氧化钠 N a O H 水溶液 H C l 气体≤400≥95 H F 气体≤400≥95 N H3气体≤400 ≥90 2. 3 净化吸收塔工作原理 酸雾废气由风机压入净化吸收塔的均压室 ,经过 不等速迂回式喷淋系统处理 ,穿过填料层进入贮液箱 上部, 然后向上进入内筒处理器的填料层 ; 再经过喷 淋 ,气体流速有所变化后进入净化塔上部填料层, 再 经过喷淋净化处理,气体向上喷淋向下二相充分逆相 接触发生吸收中和反应。为防止二次污染 ,经处理后 的气体再经过脱液器脱液处理, 然后经排气筒排入大 气 。净化后的气体大大低于国家允许排放标准 。 2. 4 净化吸收塔的使用与维护保养 1 为了使净化吸收塔正常运转, 厂方调试结束 交付使用后 ,用户单位要设专职或兼职操作人员, 必 须落实到人明确职责 。开机前先检查各部件设备是 否正常 , 然后往贮液箱中加中和液、碱液浓度加到 6,液位高度为 650 m m 。先开风机后开水泵, 查看 运转情况。停机时先关水泵再关风机。 2 经常检查设备运转情况 , 保证设备正常运行。 经常检测碱液浓度,发现低于 2时即及时添加碱至 中和液浓度达 6, 定期检测贮液箱中的盐浓度, 如 达到 20时要进行更换新的吸收液 , 排出废液需送 废水处理站进行处理 ,设备要定期检修保养以保证正 常进行 。 3 总结 大功率半导体器件生产Ⅱ线的酸雾净化系统 ,执 行了同主体工程同时设计, 同时施工 , 同时使用的三 同时原则。整个系统实现了当年设计 , 当年施工, 当 年投产 ,设备经正常使用六个月后, 由有关权威部门 进行了验收监测 ,结果见表 2。玻璃钢净化塔的 H C l 、 F -、N H 3监测结果均能达到 G B 16297 - 1996中一级 标准。 表 2 酸雾净化系统大气污染物监测结果 排气流量/ m3 h- 1 H C l 均值H F 均值N H3 均值 排放浓度 / m g m- 3 执行标准值 / m g m- 3 排放速率 / k g h - 1 执行标准值 / k g h- 1 排放浓度 / m g m- 3 执行标准值 / m g m- 3 排放速率 / k g h- 1 执行标准值/ k g h- 1 排放浓度/ m g m- 3 执行标准值/ m g m- 3 排放速率 / k g h - 1 执行标准值 / k g h - 1 15 6001. 361000. 0200. 860. 87490. 0140. 172. 1920. 0348. 7 注 监测点位为酸雾净化塔烟气出口 20 m 处。 设备经过两年多时间使用证明 该系统运行稳 定 ,可靠性高 ,设备操作简单 ,维护管理方便 ,运行成 本低, 能耗小 ,效果满意。 参考文献 [ 1] 电子工业部第十设计研究院. 空气调节设计手册[ M] . 北京 中 国建筑工业出版社, 2002. 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