目前國內(nèi)外對VOC的末端治理方法有:冷凝、吸附、氧化、生物處理、吸收、等離子體凈化等。以沸石材料為載體的吸附濃縮法處理VOC廢氣(沸石轉(zhuǎn)輪)得到了較為廣泛的應(yīng)用。
1政策背景
隨著新的《大氣污染防治法》(主席令第31號)、《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(國發(fā)[2013]37號)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)污染防治技術(shù)政策(環(huán)保部公告2013年第31號)等政策、文件的相繼出臺,全國對VOCs污染物防治的要求和力度逐漸加強(qiáng),低濃度廢氣治理的沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮法成為了很多企業(yè)的優(yōu)選治理方案。調(diào)查并總結(jié)沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)運(yùn)行過程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患,尋找預(yù)防、改善或解決途徑,對沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)在芯片制造業(yè)更安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行具有非常重要的意義。
2燜燒事故原因分析
燜燒事故分析:通過對業(yè)界某次沸石轉(zhuǎn)輪燜燒事故開展的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致燜燒事故的原因主要有如下幾個(gè)方面
(1)發(fā)生燜燃的沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)由于長期運(yùn)行,其轉(zhuǎn)輪內(nèi)部積聚了較高濃度的高沸點(diǎn)物質(zhì)。
(2)企業(yè)沸石轉(zhuǎn)輪的脫附風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率設(shè)置偏低,使得脫附效率降低,更多VOCs殘留在沸石轉(zhuǎn)輪內(nèi)部,未有效脫除,在長期運(yùn)行已有的VOCs殘留基礎(chǔ)上進(jìn)一步積聚。
(3)該套沸石轉(zhuǎn)輪雖內(nèi)置水噴淋頭,并設(shè)有自動(dòng)控制系統(tǒng),但在燜燃過程中失效,無法正常運(yùn)行,導(dǎo)致燃燒蔓延。
3加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防控的研究
通過對業(yè)界某次燜燒事故的分析調(diào)查獲悉,發(fā)生燜燃的主要原因是沸石轉(zhuǎn)輪內(nèi)部殘留的VOCs積聚。其次,自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控不足,且未正常啟動(dòng),導(dǎo)致事故得不到及時(shí)的處理。因此,為防范此類沸石轉(zhuǎn)輪燜燒事件,應(yīng)著重從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防控:
(1)降低VOCs殘留,強(qiáng)化脫附效率;
(2)強(qiáng)化監(jiān)控措施;
(3)強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)防范及設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)。
3.1降低VOCs殘留降低沸石轉(zhuǎn)輪內(nèi)部VOCs殘留可從改善VOCs廢氣的進(jìn)氣質(zhì)量和加強(qiáng)脫附效率兩方面入手。
(1)廢氣預(yù)處理。
廢氣預(yù)處理措施通常有除塵、除濕、除霧、除高沸物等。針對待處理的VOCs廢氣實(shí)際情況,選取適當(dāng)?shù)膹U氣預(yù)處理措施。比如,半導(dǎo)體生產(chǎn)制造過程對生產(chǎn)場所的顆粒物有嚴(yán)格的要求,生產(chǎn)場所通常為潔凈車間。因此,有機(jī)廢氣中的顆粒物含量極少,通常無需進(jìn)行除塵預(yù)處理。比如,芯片制造業(yè)生產(chǎn)過程中使用的主要有機(jī)原料通過具有低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的特點(diǎn),但仍不排除少量高沸點(diǎn)物質(zhì),如剝離液的主要成分二甘醇胺(沸程218~224℃)等??稍诟叻悬c(diǎn)物質(zhì)主要使用工序增設(shè)冷凝、前道活性炭吸附等預(yù)處理裝置,以降低VOCs廢氣中難脫附高沸點(diǎn)物質(zhì)進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪。高沸點(diǎn)VOCs進(jìn)入廢氣管道后容易產(chǎn)生凝結(jié),從而使廢氣濕度增大。當(dāng)進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的有機(jī)廢氣濕度大于80%時(shí),將對疏水性沸石分子篩產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。因此,建議企業(yè)對高濕度廢氣增設(shè)干燥除濕預(yù)處理裝置,使得進(jìn)入廢水轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的廢氣濕度保持在穩(wěn)定、可控的范圍內(nèi)。
(2)高溫再生。
比如,根據(jù)對國內(nèi)芯片制造典型企業(yè)開展的調(diào)研可知,芯片制造業(yè)常用的有機(jī)物質(zhì)有異丙醇(沸點(diǎn)為82.45℃)、丙二醇單甲醚乙酸酯(沸點(diǎn)為146℃);同時(shí)還含有少量的高沸點(diǎn)物質(zhì),例如二甘醇胺(沸程218~224℃)。通常芯片制造業(yè)沸石轉(zhuǎn)輪的再生溫度為180-200℃,在此再生溫度下,高沸點(diǎn)的二甘醇胺等物質(zhì)將無法從沸石轉(zhuǎn)輪上有效脫附,從而逐漸積聚在轉(zhuǎn)輪內(nèi)部。某沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)備供應(yīng)商對沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的高沸點(diǎn)物質(zhì)聚集情況開展了研究,由圖1可知,當(dāng)沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)運(yùn)行1個(gè)月后,轉(zhuǎn)輪內(nèi)部確實(shí)有較大量的有機(jī)物積聚,其有機(jī)物積聚量即達(dá)6wt。進(jìn)行有效的高溫脫附之后,其內(nèi)部的有機(jī)物積聚量可降低約40%~60%。因此,高溫脫附可較為有效地去除沸石轉(zhuǎn)輪內(nèi)部積聚的高沸點(diǎn)有機(jī)物質(zhì)。企業(yè)應(yīng)根據(jù)廢氣的實(shí)際產(chǎn)生情況,分析廢氣組成分布,分析高沸點(diǎn)物質(zhì)占比情況,以及廢氣的產(chǎn)生總量等內(nèi)容,從而確定高溫再生頻次。較為適宜的高溫再生頻次為2~3個(gè)月一次。高溫再生的溫度也會影響高溫脫附效果。若高溫脫附溫度選取過低,則高沸點(diǎn)物質(zhì)仍無法有效脫除;若高溫脫附溫度選取過高,將對沸石分子篩的骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響,從而降低其使用壽命。高溫脫附溫度宜選取300℃左右,并且,相應(yīng)的沸石轉(zhuǎn)輪內(nèi)部配件均需采用可耐300℃高溫的密封配件。
(3)水洗再生。
比如,芯片制造業(yè)常用的有機(jī)物質(zhì)(如異丙醇、丙二醇單甲醚乙酸酯等)通常具有較好的水溶性,可采用水洗再生的方式去除沸石轉(zhuǎn)輪內(nèi)部聚集的高沸點(diǎn)物質(zhì)。鄭石治等人對在沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)中加裝水洗裝置的企業(yè)進(jìn)行的調(diào)研,并分析了水洗再生后的設(shè)備運(yùn)行效率情況,結(jié)果見表2。
由表2可知,水洗再生可有效提高沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的治理效率,對于工廠1,當(dāng)水洗再生次數(shù)達(dá)到4~6次/年時(shí),沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的治理效率可達(dá)95%~99%。因此,適當(dāng)增加定期水洗再生頻次,可有效防止高沸點(diǎn)物質(zhì)在沸石轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的聚集,保持高效的治理效率。由于沸石轉(zhuǎn)輪通常采用無機(jī)粘合劑將分子篩涂覆在陶瓷纖維紙表面制造而成。故水洗時(shí)不僅轉(zhuǎn)輪不會發(fā)生龜裂形變,也不會發(fā)生由于分子篩脫落所導(dǎo)致的性能劣化、使用壽命縮短等問題。但是,水洗時(shí)需要注意水質(zhì)狀況,若其中大量含有鈣、鎂等離子,將可能在沸石內(nèi)部形成碳酸鹽,阻塞沸石轉(zhuǎn)輪的蜂窩狀孔道;水中所含微量重金屬物質(zhì)、氯等也會毒化沸石。值得注意的是,并非所有沸石轉(zhuǎn)輪材質(zhì)均可耐水洗,企業(yè)應(yīng)在水性再生之前,向沸石轉(zhuǎn)輪設(shè)備的制造廠商做好相關(guān)的咨詢工作。
(4)高壓空氣吹掃。
企業(yè)在停機(jī)檢維修期間,采用高壓空氣對沸石轉(zhuǎn)輪進(jìn)行吹掃。然而,高壓空氣吹掃通常只可清楚沸石轉(zhuǎn)輪表面附著的灰塵,而VOCs有機(jī)質(zhì)通常吸附在分子篩孔道內(nèi)部,無法得到有效的脫除,還需與上述其他處理方式配合選用。
3.2強(qiáng)化監(jiān)控手段
風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生往往并非一蹴而就,而是經(jīng)過長期的累積,從量變到質(zhì)變的過程。因此,通過加強(qiáng)監(jiān)控,可在一定程度上及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,及時(shí)處理問題,及時(shí)解決問題,從而避免風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。系統(tǒng)監(jiān)控可以從以下幾個(gè)方面開展。(1)加強(qiáng)廢氣濃度的監(jiān)測:在廢氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)前,要對各廢氣吸入點(diǎn)的可燃物濃度進(jìn)行檢測分析,控制各廢氣吸入點(diǎn)的易燃物質(zhì)的濃度低于爆炸下限,并要進(jìn)行正常工作狀態(tài)或非正常工作狀態(tài)下的可燃?xì)怏w濃度檢測。
(2)加強(qiáng)設(shè)備管路濕度監(jiān)控,獲取管道內(nèi)物質(zhì)凝結(jié)情況、獲取管路濕度情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)高濕度廢氣,做好預(yù)防預(yù)警措施。
(3)加強(qiáng)設(shè)備壓降監(jiān)控,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備超壓、管路阻塞等異常情況。
(4)加強(qiáng)再生區(qū)溫度監(jiān)控,并將監(jiān)控信號接入中控系統(tǒng)或報(bào)警系統(tǒng),及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常情況。通過定期監(jiān)測或在線監(jiān)控等手段,對以上內(nèi)容開展監(jiān)控。若以上監(jiān)控因子出現(xiàn)突變或異常情況,則可能存在末端治理設(shè)施異常或治理效率下降等事故,通過及時(shí)對監(jiān)控情況進(jìn)行分析并開展問題排查,可有效降低風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率。
3.3強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)防范及設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)
(1)氮?dú)獗Wo(hù)。
發(fā)生燜燃事故的另一個(gè)重要原因是由于沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)中含有氧氣。當(dāng)系統(tǒng)在200℃下脫附時(shí),若系統(tǒng)異常停止無氣流流通、且無外加氧氣供應(yīng),廢氣中的VOCs成分及在轉(zhuǎn)輪上聚合的高沸點(diǎn)物質(zhì),將借由轉(zhuǎn)輪中沸石與原殘留于轉(zhuǎn)輪孔道及沸石孔隙中的氧氣發(fā)生觸媒反應(yīng),從而形成放熱產(chǎn)生悶燃。因此,建議企業(yè)以純氣(如氮?dú)?作為系統(tǒng)異常停機(jī)時(shí)的保護(hù)氣,置換轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)中殘留的氧氣,以降低事故概率。除此之外,氮?dú)獗Wo(hù)系統(tǒng)還可通過自動(dòng)控制系統(tǒng)與水噴淋系統(tǒng)串聯(lián)。當(dāng)系統(tǒng)異常時(shí),通入氮?dú)獗Wo(hù),充氮30s后若系統(tǒng)異常仍未消除,則立即開啟水噴淋系統(tǒng),進(jìn)一步降低事故概率。
(2)沸石轉(zhuǎn)輪維護(hù)保養(yǎng)。
由圖1可知,沸石轉(zhuǎn)輪即使定期進(jìn)行高溫再生,其內(nèi)部積聚的高沸點(diǎn)物質(zhì)仍無法做到完全脫除。因此,沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)經(jīng)過長年的吸附濃縮,其內(nèi)部仍會殘留一定量的高沸點(diǎn)物質(zhì),且高沸點(diǎn)物質(zhì)含量越來越多,從而影響沸石轉(zhuǎn)輪的性能。
除此之外,反復(fù)吸附、脫附,多次高溫再生或水洗再生,均會對沸石分子篩造成一定的損傷。因此,沸石轉(zhuǎn)輪雖在理論上可反復(fù)地吸附脫附,但實(shí)際應(yīng)用中,卻往往存在一定的使用壽命。
①更換沸石。
定期更換沸石是保持沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)有效、安全的運(yùn)行的最有效的方法。然而,更換整個(gè)沸石轉(zhuǎn)輪的成本較高。通常情況下,一個(gè)沸石轉(zhuǎn)輪的價(jià)格約100萬元左右;而沸石分子篩的價(jià)格則便宜不少,且轉(zhuǎn)輪上的吸附劑填料往往是可更換式的。
②加強(qiáng)設(shè)備保養(yǎng)。
企業(yè)可定期委托設(shè)備供應(yīng)商進(jìn)廠進(jìn)行檢查、維護(hù),檢查設(shè)備運(yùn)行過程中是否存在安全隱患,設(shè)備各部件是否存在老化、松動(dòng)、設(shè)備泄漏等情況。通過專業(yè)性、專攻性的檢查,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,并提供問題的解決方案。企業(yè)還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的密封性能以及密封程度。選用可耐脫附高溫、可耐老化的優(yōu)質(zhì)的密封材料,并注意密封材料的定期檢查和定期更換。
3.4加強(qiáng)管理制度的建設(shè)
建立良好的ESH管理體系是風(fēng)險(xiǎn)防范的基礎(chǔ)(ESH的全稱為“環(huán)保安全衛(wèi)生”),ESH管理體系是安全、環(huán)境最佳有機(jī)結(jié)合體,是一種事前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,防止安全事故、突發(fā)環(huán)境事故的發(fā)生。在企業(yè)中推行ESH管理體系,可健全企業(yè)的管理機(jī)制,規(guī)范管理,可提高人員的安全知識水平、將過去安全管理的“事后調(diào)查”變?yōu)?ldquo;事前預(yù)防”,將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。為進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防范,企業(yè)可從以下方面建立制度,并監(jiān)督制度的有效實(shí)行。
(1)確實(shí)開展并落實(shí)環(huán)境影響評價(jià)“三同時(shí)”制度,提高設(shè)備驗(yàn)收環(huán)節(jié)的有效性。
(2)加強(qiáng)設(shè)備操作人員以及設(shè)備管理人員的專業(yè)培訓(xùn)。
(3)定期進(jìn)行管路的泄漏檢測和修復(fù)工作,制定LDAR管理臺賬。
(4)加強(qiáng)動(dòng)火管制,在沸水轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)周圍嚴(yán)禁使用明火,引發(fā)可燃、易燃?xì)怏w燃爆。
(5)建立設(shè)備定期檢查制度,委派專人定期(每日、每周、每月)對沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)進(jìn)行檢查,并做好臺賬記錄。
(6)建立沸石轉(zhuǎn)輪定期脫附制度,根據(jù)企業(yè)自身的VOCs廢氣特點(diǎn),以及沸石轉(zhuǎn)輪裝置的特點(diǎn),選用合適的廢氣預(yù)處理裝置;選用高溫脫附、定期水洗、高壓吹掃等方式,降低沸石轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的VOCs殘留。
(7)建立例行監(jiān)測制度,定期監(jiān)測廢氣進(jìn)、出口濃度,監(jiān)控沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的實(shí)際治理效率。
(8)建立定期檢維修制度,委托設(shè)備生產(chǎn)廠商定期對沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)及其配套部件、檢測裝置、自動(dòng)控制裝置等開展維修、保養(yǎng),并做好臺賬管理工作。
4結(jié)論與建議
4.1結(jié)論根據(jù)此次沸石轉(zhuǎn)輪燜燒事件,總結(jié)歸納出事故的主要原因?yàn)榉惺D(zhuǎn)輪內(nèi)部存在高沸點(diǎn)VOCs物質(zhì)殘留,高沸點(diǎn)物質(zhì)積聚,不但增加設(shè)備運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn),還降低設(shè)備的治理效率。發(fā)生燃燒的三要素為“可燃物質(zhì)、著火點(diǎn)、助燃物質(zhì)”,企業(yè)可通過降低VOCs殘留,強(qiáng)化脫附效率等方法,減少可燃物質(zhì),并降低其濃度;通過強(qiáng)化監(jiān)控措施,對著火點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警;通過強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)防范,惰性氣體N2保護(hù),降低氧含量;加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng),并最終建立相關(guān)的管理制度,以加強(qiáng)沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)防范。
4.2建議企業(yè)應(yīng)秉承“事前防范”的風(fēng)險(xiǎn)防控原則,建立完善的風(fēng)險(xiǎn)防控制度和管理體系。建議企業(yè)開展以上風(fēng)險(xiǎn)防范措施。
來源:環(huán)保