工廠揮發性有機氣體(vocs)控制技術 與改善案例介紹 ·...
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工 廠 揮 發 性 有 機 氣 體 ( V O C s ) 控 制 技 術
與改善案例介紹
台灣產業服務基金會 工程師郭志軍、 宋明裕、司洪濤
一、前言
惡臭問題一直是民眾關注的環保問題之一,由行政院環保署民眾
陳情案件統計資料顯示,惡臭陳情案件長期居於空氣污染陳情案件之
第一位。惡臭物質來源廣泛,就產生機制而言,分為生物分解、化學
反應、物理作用三類;就惡臭化學物質而言,分為有機物及無機物;
就人類活動而言,分為生活、農業、工業、商業四類。在「空氣污染
防制法施行細則」雖明確定義之惡臭物質為硫化甲基、硫醇類及甲基
胺類物質,但引起臭味問題之物質包含揮發性有機物及無機物,其主
要係以碳、氫、氧、氮、硫、鹵素等元素構成。其中,VOCs 往往因
工業製程產生逸散,或收集處理效率不佳所致,因而成為產生臭味主
要物質之一;尤以工業所產生之 VOCs 惡臭氣體較受社會重視,相對
地產生之陳情比例亦較高。表 1 及表 2 列出依化學結構區分之常見臭
味物質及其發臭官能基,顯示具剩餘電子對之不飽合、含氧、含還原
態氮、含還原態硫、含鹵素等碳氫化合物具特殊味道;如將此等物質
氧化 (即奪去其剩餘電子),則可減輕其味道。本文將介紹工廠 VOCs
收集及控制技術,及實廠輔導 VOCs 減量改善之案例。
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表 1 常見臭味物質及其發臭官能基(非含氧烴)
分類 名稱 分子式或結構式 (箭頭指發臭官能基) 發臭官能基 味道
脂肪烴 1,3-丁二烯
烯基 瓦斯味
芳香烴 苯乙烯
苯環、烯基 塑膠味
氨
還原態氮 (負三價)
氨味
甲胺
(同上) 氨味
三甲胺
(同上) 魚腥味
糞臭素 (Indole)
(同上) 糞便味
含還原
態氮化
物
甲基糞臭素 (Skatole)
(同上) 糞便味
含還原
態 硫化氫
還原態硫 (負二價)
腐蛋、陰溝
味
甲硫醇
(同上) 瓦斯、腐菜味
硫化甲基
(同上) 腐菜味
硫化物
二硫化甲基
還原態硫 (負一價)
洋蔥味
含鹵烴 氯仿
碳氯團 醚味
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表 2 常見臭味物質及其發臭官能基(含氧烴及植物精油)
分類 名稱 分子式或結構式 (箭頭指發臭官能基) 發臭官能基 味道
含氧烴 乙醛
碳氧基 刺鼻味
丙酮
碳氧基 刺激性甜味
乙酸乙酯
酯基 鳳梨香
乙酸
有機酸基 醋酸味
二、VOCs收集
臭味防制基本方法之一為減少臭味物質進入大氣環境,可由製程
改善與管理、臭氣之抽除、裝設控制設備等方法達成。目前工業界常
用之臭氣抽除方式,乃藉由適當型式氣罩 (hood) 配合抽氣設備及管線,將其抽送至處理設備;其抽除效率則與氣罩型式大小、氣罩與排
放源之關係位置、抽氣量(或捕集速度)等因素有關。
一般所應用的集排氣系統包括局部排氣及整體換氣系統(如圖
1),二系統所選用之考量因素包括污染物毒性強弱、濃度高低、產生量多寡、污染源分佈狀況、污染源與作業人員之距離以及設備費用
等。
整 體 換 氣 局 部 排 氣
圖 1 整體換氣及局部排氣系統示意圖
資料來源:經濟部工業局,揮發性廢氣減量處理技術講習會簡報資料,2004 年。
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整體換氣系統主要是供給新鮮空氣以稀釋作業場所中污染物濃
度,同時自作業場所中將污染空氣收集,降低污染物濃度,系統應用
時機包括污染物濃度較低之場所、污染物產生量少時、污染發生源均
勻且廣佈等。此法雖可提高室內空氣置換率,但也造成換氣風量大,
處理設施設置成本較高,且需考量氣流方向,避免廢氣產生累積現象
(如圖 2)。
側 風 方 向
側 風 方 向
污 染 源
污 染 源
圖2 整體換氣方向與呼吸帶臭氣濃度示意圖 資料來源:經濟部工業局,揮發性廢氣減量處理技術講習會簡報資料,2004 年。
局部排氣系統(如圖 3)則是在高濃度污染物未逸散於大氣前,利用氣罩將污染物侷限並以氣流(吹、吸)將污染物捕集,並在處理
後排放至大氣,系統應用時機包括污染物毒性強、濃度高、量多、污
染物進入空氣流速快之場所、作業人員距離污染源近等。此法具有換
氣風量少且易控制臭氣擴散範圍,以及可採導管系統,以導引氣罩接
近污染源優點,但有不易應用於大範圍污染源且外裝式氣罩捕集效果
易受側風影響等缺點。
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氣罩 1
氣罩 2
氣罩 3 空氣清淨裝置
排氣機
導管
排氣口
肘管
合流
圖 3 局部排氣裝置
資料來源:行政院勞委會勞安衛研究所,局部排氣導管設計程式使用手冊。
圖 4 為金屬板冷軋作業裝置之頂蓬型氣罩圖例,本作業雖屬冷軋,但因軋片輥筒彼此間之摩擦,致產生大量熱氣及潤滑油霧液滴
(Oil Mist),因此需考量氣流狀態、機械構造以及作業特性等諸因素,宜採頂蓬型氣罩進行集氣。由於此類機械設備之構造型體較為龐大,
且廢氣逸散污染發生源通常分散多處,因此所需氣罩之開口面及尺寸
皆屬大型,致使排氣量亦隨之增大。 圖例中所示之排氣量及壓力損失等數值,係指各氣罩所收集廢氣
匯集於主風管中之總排氣量及總壓力損失,並非單指各別氣罩之排氣
量及壓力損失。此外,在作業上容許之情況下,宜於各氣罩開口面之
周邊裝配法蘭(Flange),凸緣,以增加進氣罩之集氣效果。
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圖4 金屬板冷軋作業裝置之頂蓬型氣罩圖例
資料來源:經濟部工業局,「局部排氣氣罩設計實例」技術手冊
三、VOCs控制技術
VOCs 臭味控制技術可區分為氧化法與吸附法,其中氧化法包括焚化法、濕式洗滌法、乾式氣體氧化法及生物濾床法,一般可以單一
技術或二種以上技術組合(串連)以完成單一臭氣處理工作。
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1.焚化法
焚化控制技術可分為直接焚化法與觸媒焚化法,其乃將臭味物
質轉化成氧化物,最典型之例子即為碳氫化合物轉化成二氧化碳及
水。焚化爐設計時需能供給氧氣並滿足燃燒溫度、停留時間及廢氣
擾流等三個燃燒條件,每個條件皆可視需要情況加以修正,並準確
控制,以使廢氣獲得完全燃燒,達到預期之處理效果。
(1)直接焚化法
在直接焚化法中,臭氣於 650~820℃下停留 0.3~0.6 秒,並與氧氣充份混合,臭味物質即可被氧化,其氧化效率可達 95~99%。若於有致臭性粒狀物質存在之情況下,燃燒溫度有需要提升至約 1,150℃,且停留時間亦需延長至 2 秒左右,方能將可燃性粒狀物質燃燒氧化。
直接焚化法脫臭裝置之特色係對於含任何濃度臭味物質之廢
氣,可藉由特定燃燒溫度而獲得高脫臭效率。來自污染源廢氣進
入裝設於焚化爐附近之熱交換器,藉由處理後排氣之餘熱進行熱
回收,以預熱待處理廢氣,經預熱後之廢氣再進入焚化爐內進行
氧化脫臭。
(2)觸媒焚化法
觸媒是一種能引發或加速化學反應而本身不受影響之材料,
因具有特殊之化學性質而能降低燃燒溫度,使製程排放廢氣中所
含有機物質或碳氫化合物等具臭味物質,能於較低之燃燒溫度下
即可氧化而轉換成二氧化碳及水等無害物質。當氣體濃度即使位
於「低燃燒下限 (LEL)」以下之範圍內,亦能藉由觸媒促使完全燃燒反應之進行。由於觸媒焚化法所需之燃燒溫度較低,故輔助
燃料之添加可大大地減少。
直接焚化法與觸媒焚化法之燃燒條件差異如表 3 所示,最大差異在於燃燒溫度及火焰之狀態。
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表 3 直接焚化法與觸媒焚化法之主要差異
項 目 直接燃燒法 觸媒氧化法
燃燒溫度
燃燒狀態
空間速度
(停留時間)
650~820℃
高溫火燄中停留一定時間
7,500~12,000m3/hr/m3
(0.3~0.5 秒)
150~480℃
接觸觸媒不生成火燄
15,000~25,000 m3/hr/m3
(0.14~0.24 秒)
2.濕式洗滌法
濕式洗滌法亦稱為吸收法,係利用洗滌液吸收臭味物質,並由
其中之化學藥劑進行反應或化學氧化作用,而去除空氣中臭味物質
之程序。所謂氣體吸收係藉由氣相與液相之接觸,使氣相中之臭味
物質因溶解而轉移到液相,以達到分離目的之一種操作,例如氨氣
與空氣之混合物通過水中時,氣相中之氨氣溶於水中形成氨水溶
液,而空氣則自水面逸出。在濕式洗滌法中最常用之洗滌液為清
水,部分臭味物質(如氨氣及硫化氫)因易溶水中而可被洗滌水輕
易去除,其他有機性臭味物質則因水溶性不佳,必須增加額外之洗
滌處理或考慮採用別種處理方法。
針對高濃度臭味氣體或處理風量很大時,一般較常使用濕式洗
滌塔設備,而為了確保臭味物質可被適當吸收,洗滌塔之設計必須
能使廢氣與吸收液獲得良好之接觸。濕式洗滌塔具有數種不同之型
式,其中以填充式洗滌塔最為常見,有關洗滌塔對於處理效率、初
設成本、化學藥劑費用、動力需求、接觸時間、設備空間需求及待
處理廢氣特性等條件,各系統均有其優點與限制,但影響濕式洗滌
系統處理效率之主要關鍵因素,則為臭味物質在洗滌液中之溶解
度,而溶解度必須經由測試得知,且常受 pH 值之影響。
3.乾式氣體氧化法
化學氧化法在乾式及濕式廢氣處理均可加以應用,其接觸形態
可為氣對氣、氣對液或氣對固之一種以上,而氯氣及臭氧則可用在
氣對氣之接觸氧化系統充當氧化劑。由於氯氣及臭氧兩者均為毒性
氣體及污染物,所以使用時必須善加安裝與控制,以防止未反應之
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氯氣及臭氧外洩。
(1)氯氣
在氣相以氯氣氧化硫化氫之化學反應式如下:
Cl2+H2S → S+2HCl
為了有效控制硫化氫之惡臭氣體,採用過量加氯是必要條
件,一般氧化作用至反應終結所需之接觸時間介於 0.5~3.0 秒間。在經乾式氣體之化學氧化後,常繼而串聯濕式鹼性洗滌塔以
去除前段反應所剩下之氯氣,另外,洗滌塔亦可同時去除未被氨
氣氧化之臭味物質。
(2)臭氧
臭氧系統之初設成本高,但操作費用通常較低,惟用以處理
大量且不穩定之臭味氣體時,由於臭氧之產生費用高與化學活性
等因素而不具經濟效益。臭氧化作用主要用作管末廢氣處理之一
種淨化技術,典型之去除反應式如下所示:
‧硫化氫
H2S+O3 → S+H2O+O2 (主要反應)
H2S+O3 → SO2+H2O (次要反應)
‧胺類
R3N+O3 → R3NO+O2 (胺氧化)
‧甲基硫醇
CH3SH+O3 →[CH3-S-S-CH3]→CH3-SO3H (甲基磺酸)+O2O3
在工業廢氣處理之應用上,臭氧氧化作用之反應接觸時間一
般建議採 15~30 秒,而有些情況則需提升至 60 秒,然而亦有僅需 1~5 秒之成功案例存在。適當之臭氧濃度以完成氧化是必須
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的,其典型之操作濃度約 1~90ppm,但在氧化處理後排氣中則應避免有過量之臭氧存在,因為臭氧本身帶有刺激性異味且具毒
性,故排氣中之臭氧濃度應小於 0.01ppm,此可以裝置臭氧分析儀進行監測與控制。
4.生物濾床法
生物濾床法乃是使用微生物分解有害或致臭味化學物質為無害
化合物之空氣污染控制技術,其於處理大風量、低濃度之有機臭味
廢氣頗為有效。生物濾床法主要乃藉濾床中濾料所附著之微生物,
將廢氣中污染物質予以分解。當廢氣通過生物濾床時,污染物質經
由擴散至濾料表面之生物膜,並於生物膜中分解。通常進行分解之
微生物為好氧性細菌,其過程類似土壤或水中有機物之好氧分解,
分解後之產物為二氧化碳、水、礦物鹽。
廢氣生物濾床隨各工程公司所發展之系統略有不同,大抵上,
可包含預過濾器、增濕系統、廢氣分配系統及濾床四部分。
5.活性碳吸附法
吸附為一溶質之濃縮現象,利用此現象,以使用內部比表面積
較大之多孔性固體粒子(吸附劑)來分離氣體或液體混合物之操
作,稱之為吸附操作。吸附為一放熱反應,且其效能隨溫度之升高
而降低,故操作前應預先冷卻廢氣溫度,以提高吸附效率。以吸附
原理處理 VOCs 或惡臭物質,一般常用粒狀活性碳或活性碳纖維。因欲處理之廢氣成份可能極為複雜,故於吸附過程中,可藉活性碳
之預行特殊含浸或表面處理,使吸附現象併含複雜之物理及化學反
應,以達到去除 VOCs 或除臭效果。惟,若廢氣中含有丁酮時,因丁酮易與活性碳起反應,利用活性碳吸脫附處理時易有碳床著火之
危險,必需使用活性碳纖維布(唯活性碳纖維布一般採薄床設計,吸脫附操作容量有限,不適於高濃度廢氣),或是配合流體化設計採用珠狀活性碳吸脫附,藉著珠狀活性碳之流體化流動,將局部熱點(hot spots)現象消除,並以高溫氮氣脫附以減少活性碳珠粒著火的危險。
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四、改善案例介紹
以下提供化工業、塑膠業、電子業等3個不同行業案例介紹。
1.化工業 VOCs 改善案例
(1)案例背景
案例廠係從事各種清潔劑之製造,主要產品包括工業清潔用
品、家庭清潔用品及個人清潔用品。案例工廠某粉狀清潔劑製程,在
清潔劑原料調配完成以噴霧乾燥機製成粉狀清潔劑,其噴霧乾燥機排
出含 VOCs 臭味之廢氣。
原料 噴霧乾燥機混合漿料 旋風集塵機 粉狀清潔劑
廢氣
圖 5 粉狀清潔劑生產流程
(2)處理流程與設計條件
A.廢氣處理流程如圖 6 所示。
(No.3) (No.2) (No.1)
濕式洗滌 排放 風車 VOCs 廢 濕式洗滌 濕式洗滌
圖 6 廢氣處理流程
B.設計條件
案例工廠清潔劑噴霧乾燥機排氣量為 250 Nm3/min,該股
廢氣以三段串連的濕式洗滌塔去除廢氣中的粉塵及C12~C16烯烴
及C12~C14烷基醇等VOCs物質。噴霧乾燥機之排氣量、VOCs排
放量、VOCs濃度及成分等,如表 4 所示。
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表 4 噴霧乾燥機廢氣特性
流量 250 m3/min
溫度 40~50 (℃ 水洗塔後)
35.5 kg/hr (C12~C16烯烴)
7.5 kg/hr (C12~C14烷基醇) VOCs 排放量
43.0 kg/hr (合計)
VOCs 質量濃度 2,870mg/m3
(43.0 kg/hr×106 mg/kg÷60 min/hr÷250 m3/min =2,867 mg/m3)
VOCs 體積濃度 328ppm
(2,867mg/m3÷196mg/m3×22.4ppm=328ppm,196為C14烯烴之分子量)
(3)單元設計缺失
噴霧乾燥機廢氣中主要VOCs成分為C12~C16烯烴及C12~C14烷基
醇等,未水洗前之平均濃度為 2,870 mg/m3(如表 4),因廢氣組成中含
有高比例之疏水性碳氫化合物,其水溶性不佳,經三段式濕式洗滌塔
水洗後,其綜合VOCs去除率僅為 50%,故水洗後排氣VOCs濃度為
1,440 mg/m3,最終排氣仍具刺激性臭味,引起廠房周邊工廠從業人
員抗議,致無法繼續生產。
(4)改善方案與效益
A.圖 7 為各排氣處理方法之費用及適用VOCs濃度範圍。一般而言,
低濃度VOCs排氣(5,000-10,000mg/m3)則可以直燃式焚化
爐火焰焚化、冷凝或活性碳吸附回收處理。生物法適合處理中低濃
度VOCs廢氣(約 1,000 mg /m3),其相對費用較其他方法為低。
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1 10 10 10 10
100
80
60
40
20
0
進氣 �³機 物�@度 (mg carbon/m )3
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A
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C D
B
A
A. 火焰 焚化 /熱 �̂收
吸附(活性碳不再生)
1,000100 10,000 100,000
10
100
1000
10000
100000
生物濾床生物滴濾塔生物洗滌
轉輪吸附 焚化、觸媒焚化、蓄熱式焚化
吸附(活性碳再生)
冷凍回收(T0℃)
圖 7 有機廢氣處理之相對費用及適用方法
B.案例工廠噴霧乾燥機廢氣之主要VOCs 成分為C12~C16 烯烴及
C12~C14烷基醇等,未水洗前之平均濃度為 2,870 mg/m3,其水洗去
除率為 50%,水洗後排氣平均VOCs濃度約為 1,440 mg/m3。依圖
7,案例工廠之廢氣特性以蓄熱式焚化法處理較經濟。
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C. 本案處理設施及流程如圖 8 所示。一般蓄熱式焚化系統
(regenerative thermal oxidizer, RTO)之蓄熱床內填充石質或陶瓷蓄
熱材料,欲處理氣體先進入一蓄熱床(A 床)預熱至一定溫度以反應
去除其中之 VOCs,反應後高溫氣體通過另一蓄熱床(B 床)時,氣
體熱能將傳入原已冷卻之蓄熱材,即高溫氣體之顯熱已被儲存,氣
體則以較低的溫度排放。待一定時間後,欲處理氣體則導入該高溫
床(B 床)預熱,反應後高溫氣體能量則儲存於 A 床,完成一操作循
環。
排放 風車蓄熱式焚化爐VOCs 廢氣
圖 8 改善後之廢氣處理流程
D.案例工廠新建 250 m3/min蓄熱式焚化爐(規格如表 5),將 110℃之
噴霧乾燥機廢氣經蓄熱爐床及輔助燃料(LPG)加熱至 700℃,以去
除C12-C16烯烴及C12-C14烷基醇臭味,再經蓄熱爐床作回收,使排氣
溫度降至 170℃。在乾燥清潔劑產量 120 kg/hr時,該RTO系統操作
之輔助燃料LPG用量約 20 kg/hr,以LPG每公斤以 18 元計,燃料費
用約 360 元/hr,折合燃料費用為 3.0 元/kg-乾燥清潔劑。經以該蓄
熱式焚化爐(RTO) ,如圖 9 所示,取代原洗滌系統後,排氣刺激性
臭味已完全消除,工廠週界臭味濃度檢測結果為 20 以下,符合固
定污染源空氣污染物排放標準,案例工廠得以順利生產清潔劑。
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表 5 設計處理量為 250 Nm3/min之蓄熱式焚化爐規格
1. 床高 2.0 m 2. 床數 2
3. 床寬×床長 3.2 m×3.2 m
4. 焚化溫度 700℃
5. VOC 進流濃度 1,440 mg/m3
6. VOC 去除率 90%
7. 進流氣體溫度 45℃
8. 出流氣體溫度 93℃
9. 熱回收率 92.7%
10. 閥門旋轉時間 8 sec
11. 閥門轉換時間 2 min
12. 預熱時間 10 小時(變頻器 12Hz,氣體流量 50 Nm3/min)
13. 預熱 LPG 流量 20 kg/hr
14. 操作 LPG 流量 2.68 kg/hr
15. 操作 LPG 費用 2.68 kg/hr×20 元/kg=53.6 元/hr
16. 抽風機馬力 50 Hp (2 部,一部備用)
17. 抽風機電力費用 50 Hp×0.746 kW/Hp×2.0 元/kWh
=74.6 元/hr
圖 9 噴霧乾燥機之廢氣處理設備-蓄熱式焚化爐
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2.塑膠業VOCs改善案例
(1)案例背景
案例廠係從事廢壓克力板之回收再利用,主要產品為再生壓克
力單體原料,每月產能 1,000 公噸。先將廢壓克力板放入裂解爐中將
其加熱裂解成液化後,經脫色、脫臭及除渣處理,再經加熱成氣態
的壓克力單體蒸汽,最後再冷凝成液態的壓克力單體,即為成品。
再生壓克力單體原料生產流程如圖 10。廢氣主要來源為裂解爐排出
含壓克力單體臭味之 VOCs 廢氣。
廢壓克力板 加熱氣化槽脫色脫臭槽 冷凝 成品
廢氣
裂解爐
圖 10 再生壓克力單體原料生產流程
(2)處理流程與設計條件
A.廢氣處理流程
裂解爐 VOCs 廢氣處理流程如圖 11 所示。
濕式洗滌 排放 風車 活性碳吸附冷凝回收 VOCs 廢氣
圖 11 裂解爐 VOC 廢氣處理流程
B.設計條件
裂解爐VOCs廢氣處理系統設計之處理量為 30 Nm3/min,未處
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理前之廢氣VOCs濃度為 10,000~30,000ppm,且含有壓克力單體之
VOCs物質。裂解爐VOCs廢氣經冷凝回收+濕式洗滌塔+活性碳吸
附處理,其煙囪排氣臭味仍無法降低至排放標準,且經常被鄰近居
民陳情抗議。
(3)單元設計缺失
A.裂解爐 VOCs 排氣含有高濃度輕質油油氣及水分,因 VOCs 油氣
為疏水性,不易溶於水,廢氣採用濕式洗滌塔處理,如圖 12 所
示,且以清水當作 VOCs 油氣之吸收液,效果不佳。
圖 12 處理 VOCs 廢氣之濕式洗滌塔
B.廢氣溫度經濕式洗滌塔處理後尚有 70℃,而一般活性碳在溫度 50
℃以下及相對濕度 60%以下,可發揮較佳之 VOCs 吸附效能,而
廢氣經濕式洗滌塔處理後之排氣濕度為飽和狀態,致使活性碳在
此高濕度下對 VOCs 之吸附能力降低,導致臭味處理效果不佳。
活性碳吸附槽如圖 13 所示。
圖 13 處理 VOCs 廢氣之活性碳吸附槽
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(4)改善方案與效益
A.以現場空氣污染改善需求而言,從壓克力單體 VOCs 回收再利用
方面著手應比 VOCs 管末處理更易達到預期效益,尤其是加強冷
凝器熱交換面積、延長氣體滯留時間或降低冷凝水溫度,可增加
廢氣中 VOCs 氣體凝結,最後再將殘餘 VOCs 廢氣予以焚化,則
臭味問題可徹底解決,空氣污染改善效果將最明顯。
B.因壓克力單體 VOCs 有機廢氣親水性不高,故不宜以濕式洗滌方
式處理;而直接採用活性碳吸附 VOCs 有機廢氣,應注意操作在
低濕度及低溫度之條件下操作,方可發揮功效。又活性碳雖然可去
除廢氣中 VOCs,惟廢氣之 VOCs 濃度過高,短期內即達到飽和
狀態,必須時常更換新品之活性碳,增加作業之麻煩,故建議採用
焚化法處理,可根本解決臭味問題。
C.案例廠因貯存大量壓克力單體原料,其閃火點低,工安問題應特別
加強注意。若將採用焚化爐處理反應槽排氣中之 VOCs,應注意可
能回火問題;建議於進入焚化爐前之管線適當位置,加設 1 個水封
槽,防止焚化爐之火星逆流引發爆炸或火災,造成工安事件。
D.工廠經評估結果,最後採用直燃式 VOCs 焚化爐(其規格如表 6)
將裂解爐 VOCs 廢氣焚化,同時在進入焚化爐之前加設一個水封
槽。另,為加強輕質油回收率,亦增設一座輕質油回收設備,改
善後之廢氣處理流程如圖 16,經處理後之煙囪臭味濃度降低至為
1,303,周界臭味濃度降至 21 以下,符合固定污染源空氣污染物排
放標準,改善後之檢測結果如表 7。
圖 14 裂解爐 VOCs 廢氣裝設輕質油回收設備(改善後照片)
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圖 15 裂解爐 VOCs 廢氣改用焚化處理設備(改善後照片)
排放 風車 VOC 焚化爐冷凝回收 VOCs 廢氣 輕質油回收
圖 16 改善後之廢氣處理流程
表 6 直燃式 VOCs 焚化爐設計參數與尺寸
項目 設計處理風量(Nm3/min)
VOC 處理濃度(ppm)
一次燃燒室
操作溫度
(℃)
二次燃燒操作
溫度(℃)
設計參數 15 28,000 700~800 900
燃燒室尺寸 一次燃燒室 3mL×0.6mΦ;二次燃燒室 2.5mL×0.75mΦ
表 7 裂解爐 VOCs 廢氣之臭味改善成效
項目 廢氣量(Nm3/min)
煙囪臭味
濃度 臭味周界 濃度(前門)
臭味周界 濃度(後門)
一般狀況下 50 1,303 14 21
排放標準 - 3,000 50 50
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3.電子業 VOCs 改善案例
(1)案例背景
案例工廠主要製程為積體電路製造程序,主要可分為薄膜區、
黃光區、蝕刻區、擴散區及化學研磨區等 5 個作業區。主要之廢氣
大致可分為酸性及毒性廢氣、鹼性氣體(氨氣)及有機性廢氣
(VOCs 廢氣)。
廠內並針對各作業區所產生之不同性質的各股廢氣,分別以不
同管路導入後端之空氣污染防制設備處理,達到環保法規排放標準
後,再由個別之排放口排出。其中,酸鹼廢氣分別導入洗滌塔處理
後排放。至於有機廢氣 VOCs 主要來自薄膜區、黃光區及擴散區,
經收集導入 VOCs 處理系統處理,包括 2 套沸石濃縮焚化系統及 1
套備用的活性碳處理系統,案例工廠的製程及污染源如圖 17。
薄膜 區
黃光 區
蝕刻 區
擴散 區
化學 機械研 磨區
矽晶 圓
動 態記 憶體 成品
電 性 測試 及最 終測 試
鹼 性廢 氣
酸 性廢 氣
有 機廢 氣V O C s
酸性 及毒 性廢 氣
鹼性 廢氣
有機 廢氣
圖 17 案例工廠製造流程
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(2)處理流程與設計條件
A.廢氣處理流程如下:
酸性廢氣
鹼性廢氣
有機廢氣VOCs
鹼洗滌塔系統
酸洗滌塔系統
吸附設備-沸石濃縮轉輪
直燃式焚化爐
吸附設備-沸石濃縮轉輪
蓄熱式焚化爐
活性碳吸附塔(備用)
酸性及毒性廢氣
鹼性廢氣
有機廢氣
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放
圖 18 廢氣處理流程
B.設計條件
案例工廠設有 3 套VOCs廢氣處理設備,1 套沸石濃縮轉輪
搭配直燃式焚化爐(直燃式)、1 套沸石濃縮轉輪搭配蓄熱式
焚化爐(蓄熱式)及 1 套備用的活性碳處理系統。正常使用之
2 套廢氣處理系統設計處理量均為 78,000Nm3/hr,未處理前之
廢氣VOCs濃度為 250~300ppm,廢氣溫度 25℃,主要污染物
的成分為乙醇(Ethylalcohol)、異丙醇( Isopropylalcohol)
及丙酮(Acetone)等,設計處理效率為 95%。
(3)單元設計缺失
案例工廠沸石濃縮轉輪搭配蓄熱式焚化爐之廢氣處理系統操作
均正常;但沸石濃縮轉輪搭配直燃式焚化爐之廢氣處理系統,原規
劃將製程廢氣經沸石濃縮轉輪吸附濃縮後,其中風量較少的濃縮廢
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氣導入焚化爐焚化處理,可有效減少焚化爐體積及燃料費用。惟其
原採用的直燃式焚化爐系統,因設備老舊,其熱交換效率已低於
60%,且設計時並未考量廢氣中有機物所能提供的熱值,故造成操作
燃料成本偏高。
(4)改善方案與效益
A.針對效率較低之沸石濃縮轉輪搭配直燃式焚化爐(直燃式)之廢
氣處理系統,經多方面評估後,若輔以蓄熱介質及考量廢氣中有
機物所能提供之熱值,則其熱回收效率將可達到 90%以上,有效
降低燃料的需求量。案例工廠決定增設 1 套沸石濃縮轉輪搭配蓄
熱式焚化爐設備,雖然其初設成本相較於原設備較高,但除以 2
套設備的總運轉費用的差值,其回饋年限不到 1 年,並將原設備
作為備用設備。2 套設備的流程及原理說明如表 8。
表 8 處理技術比較表
處理技術 說明
沸石濃縮轉輪+直燃式焚化爐
VOCs廢氣經轉輪處理後,根據所設計的濃縮倍率(以 12 倍為例),其中11/12 的風量經濃縮處理後直接排入大氣中,效率可達 95 %以上;其餘的 1/12 風量廢氣,經濃縮後進入直燃式焚化爐
(TO)處理,熱回收效率 65 %以上,以燃燒機明火 730 ℃高溫,將 VOCs 轉變為CO2及H2O。
沸石濃縮轉輪+蓄熱式焚化爐
VOCs廢氣經轉輪處理後,根據所設計的濃縮倍率(以 12 倍為例),其中11/12 的風量經濃縮處理後直接排入大氣中,效率可達 95 %以上;其餘的 1/12 風量廢氣,經濃縮後進入蓄熱式焚化爐
(RTO)處理,熱回收效率 90 %以上,以燃燒機明火 900℃高溫,將VOCs轉變為CO2及H2O。
B.案例工廠決定增設 1 套沸石濃縮轉輪搭配蓄熱式焚化爐的 VOCs 處
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理設備,以有效降低燃料的消耗費用,其規格資料詳表 9。
表 9 沸石濃縮轉輪搭配蓄熱式焚化爐設計參數表
項目 設計處
理風量
(Nm3/hr) VOCs 處理濃度 轉輪
尺寸 濃縮比RTO 爐 型式
操作 溫度
設計
參數 78,000 250~300ppm@CH4 4,200mm 11:1 2 chamber
type 800~900℃
C.改善後廢氣處理系統如圖 19 所示。案例廠直燃式焚化爐與蓄熱式
焚化爐,在實際操作上,使用燃料的比較詳表 10 所示,有機物的
處理效率結果詳表 11 所示。
表 10 燃料使用比較表
系統種類 瓦斯平均使用量(Nm3/hr) 燃料費用(元/年) 沸石濃縮轉輪+ 直燃式焚化爐 21.8 1,657,498
沸石濃縮轉輪+ 蓄熱式焚化爐 5. 1 387,763
註:1.燃料費率:8.8 元/Nm3 2.操作時間:8,640 hr/年
表 11 處理前與處理後之 VOCs 檢測結果
項目 處理前 處理後 去除率 檢測結果 3,430ppm 0.3kg/hr 95% 排放標準 - 0.6kg/hr 90%
D.由上述結果可發現,使用沸石濃縮轉輪+蓄熱式焚化爐的燃料使用
量約為沸石濃縮轉輪+直燃式焚化爐的 1/4。以高燃料費用的情
況,對企業營運成本的支出,將有非常大的助益。
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酸性廢氣
鹼性廢氣
有機廢氣VOCs
鹼洗滌塔系統
酸洗滌塔系統
吸附設備-沸石濃縮轉輪
蓄熱式焚化爐
吸附設備-沸石濃縮轉輪
蓄熱式焚化爐
活性碳吸附塔
酸性及毒性廢氣
鹼性廢氣
有機廢氣
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放
煙囪排放吸附設備-
沸石濃縮轉輪
直燃式焚化爐
煙囪排放
煙囪排放
備用系統
圖 19 改善後廢氣處理系統
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工廠揮發性有機氣體(VOCs)控制技術與改善案例介紹1.焚化法(1)直接焚化法(2)觸媒焚化法
2.濕式洗滌法3.乾式氣體氧化法(1)氯氣(2)臭氧
4.生物濾床法5.活性碳吸附法
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