气态膜分离技术对含氨废气的回收

摘要:超纯氨气是电子工业中的重要电子气体,LED外延片在生产过程中,整个MOCVD 反应过程在富N 的环境下进行,每台MOCVD一天要用超纯氨气约40kg。氨气在MOCVD 炉中只有约0.03%的N 随反应氨气进入外延片中生成N 层;约29.97%的氨气分解成氮气和氢气,最终以气态形式排入大气;约70%的氨气未发生反应。大量的气态氨通过管道排出,造成原材料的浪费。氨气是一种无色、有刺激性恶臭味的气体,它在常温下为气态,极易溶于水,氨作为国家法规限值排放污染物,具有毒性和腐蚀性,易对生态环境造成污染,因此MOCVD排放的废氨气处理已经成为LED芯片生产厂家迫切需要解决的问题。某光电公司为了防止废气排放对周围环境造成污染,决定利用气态膜分离技术对排放的含氨废气进行回收成一定的氨水,并产生一定的经济效益,达到变废为宝的目的。
关键词:含氨废水;气态膜;膜分离技术;氨水
中图分类号:X701 文献标识码:A 文章编号:2095-672X(2018)07-0099-02
DOI:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.058
Recovery of ammonia-containing waste gas by gas membrane separation technology
Shen Juan
(Shenzhen Hengtongyuan Environmental Protection Technology Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518115,China)
Abstract: Ultrapure ammonia is an important electronic gas in the electronics industry. During the production process of LED epitaxial wafers, the entire MOCVD reaction process is performed in a N-rich environment. Each MOCVD uses about 40 kg of ultrapure ammonia gas per day. Only about 0.03% of ammonia in the MOCVD furnace will enter the epitaxial wafer with the reaction ammonia to form an N layer; about 29.97% of the ammonia will be decomposed into nitrogen and hydrogen, and finally will be discharged into the atmosphere as gaseous; about 70% of ammonia No reaction occurred. A large amount of gaseous ammonia is discharged through the pipeline, causing waste of raw materials. Ammonia is a colorless, irritating, malodorous gas. It is gaseous at room temperature and easily soluble in water. Ammonia emits pollutants as a national regulatory limit, which is toxic and corrosive, and is easy for the ecological environment. As a result of pollution, the disposal of waste ammonia by MOCVD has become an urgent problem for LED chip manufacturers. In order to prevent exhaust emissions from causing pollution to the surrounding environment, an optoelectronic company decided to use the gas membrane separation technology to recover the ammonia-containing waste gas discharged into a certain amount of ammonia, and generate certain economic benefits, thus turning waste into treasure.
Key words: Ammonia-containing wastewater; Gas membrane; Membrane separation technology; Ammonia
1 工藝设计
某光电公司现有MOCVD机台80台,含氨废气预估风量约为1500m3/h,需处理后满足《恶臭污染物排放标准》GB14554-1993的要求,氨气排放浓度控制在4.9kg/h。含氨废气处理一般采用水吸收法、化学中和法或燃烧法,各处理法比较如下:
结合氨气及氨水特性及实践数据,某光电公司选用先进的气态分离膜技术,结合水吸收法,利用气态分离膜的亲氨疏水特性,采用“风机增压→热气过滤、冷却→五级氨气回收系统(气态分离膜+低温超纯水高效吸收)→15%浓度氨水回收(剩余1%的N 随未吸收氨气排入大气)”的处理工艺将含氨废气处理回收利用,达到治污,变废为宝的目的。整个氨气回收系统相当于传统吹脱塔+化学吸收塔的微观组合,气态分离膜同时实现氨的分离与富集,氨气回收率达99%,基本实现氨气零排放[1]。详细工艺流程如图1。本项目将每20台MOCVD的含氨废气用不锈钢管道连接至氨气回收站中,再设计4套气态分离膜回收系统,这样设计既可将4套系统互为备用,又能保证MOCVD尾气的负压稳定。
1.1 风机增压
MOCVD含氨废气通过集气管道收集后由高压漩涡风机吸气增压输送至处理系统。在风机前官道上设置负压传感器,保证MOCVD机台排气保有一定的负压值,如机台排气量有变化,风机可根据传感器接收的信号自动迅速地调整电机频率[2]。
1.2 热气过滤、冷却
MOCVD含氨废气经过风机增压引入系统,由于MOCVD炉废气中含微尘,需采用过滤器预除去废气中的细小颗粒物。同时MOCVD尾气温度较高,为使得废气温度低于膜吸收组件的耐温上限(小于60℃),需对尾气进行换热降温。换热主要是防止高温的废气和废气在管道内的摩擦发热对后序氨气分离膜组件产生热破坏,一般将含氨废气温度控制在50℃以下以利于后序气态分离膜组件的运行[3]。
1.3 五级氨气回收系统
将RO纯水加入一个固定的吸收液箱,通过离心泵提升进入氨气回收系统循环吸收。在进入氨气回收系统前对RO纯水经过制冷系统冷却至4~6℃,从膜吸收组件吸收液入口进入气态分离膜组件。每级氨气回收系统配20支气态分离膜组件,每支气态分离膜组件膜壁孔径为0.0001~20μm,吸收面积为105m2,并联排列。氨气回收系统入口风压控制在35~40kPa,气态分离膜为中空纤维微孔膜,废气和冷冻纯水分别在膜的两侧,氨气透过膜孔被另一侧的冷冻纯水所吸收进入吸收液。气态分离膜亲气而疏水,氨气从膜的极微小的孔径内透过进入另一侧的吸收液中,而吸收液却不能进入氨气流动一侧。氨气回收系统中,各路流体的状态参数均通过传感器转送至自动控制系统,控制系统根据回传的信号进行相应的调整,保证系统处于稳定的工作状态[4]。
氨气与低温的纯水相遇迅速溶于水中形成稀氨水后进入吸收液箱,同时产生大量的反应热。本工艺中设有五级吸收氨气的吸收液箱,在第五级吸收液箱是最浓的,当第五级吸收液箱达到浓度时自动排放到氨水储槽,此时第四级吸收液箱内的还未达浓度要求的氨水會通过五级液位传感器发出的低液位信号控制电动三通阀切换排入第五级吸收液箱进行进一步吸收以增加浓度。由此方式第三级排入第四级,第二级排入第三级,依次进行。多级膜吸收组件的吸收液经多次循环后,可以达到20%以上的浓度品格,作为成品氨水引出。再补充纯水,重复以上步骤。
1.4 超低含氨废气处理
由于气态分离膜系统预先去除了大部分氨,总去除效率达99%,剩余1%的超低含氨废气从膜吸收组件下方排出,接入尾气吸收酸池。经吸收酸池吸收后尾气中氨浓度极低,可以稳定达标排放。
2 经济效益分析
以下经济效益分析所采用的数据仅按估计值计算:
(1)系统每天总运行功率为700kW,按每度电0.7元计算,则每天需耗电490元。(2)系统每天需耗RO纯水5t,按每吨RO纯水水费为10元计算,则每天需耗水50元。(3)系统每月需更换2个滤芯,每个滤芯以500元计算,则滤芯每天需消耗30元;气态分离膜为6年更换一次,每支气态分离膜以6000元,每次更换400支,则气态分离膜每天消耗约1150元。(4)每天产生6t浓度在20%左右的浓氨水,每吨氨水按600元/t计算,则每天收益为3600元。(5)按以上四项数据估算,不包含设备折旧费和人工费,采用气态分离膜对含氨废气回收每天可产生经济效益约1880元,每年可创造经济效益约66万元。
3 结束语
目前我国有LED生产企业近百家, MOCVD保有量超过1600台,含氨废气产生量较大。如果只是达标排放,存在排气排放量大,资源无法回收,环境与经济效益低等弊端。采用气态分离膜工艺对含氨废气进行资源化回收,具有分离与回收氨效率高,可获得高浓度的纯氨水。无二次污染、能耗低、无需二次处理废液或废固等特点,使含氨废气实现闭路循环,基本实现零排放,达到节约资源和保护环境的目的。该项目运行3年来,获得各级环保部门的认可,并获得了多项科技创新奖励,为客户产生了显著的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]GB/T 35315-2017,LED行业用氨气处理指南[S].
[2]孙猛.LED行业用废氨气处理技术[J].低温与特气,2016,34(1): 43-46.
[3]危红.热处理氮化工艺中废氨气的处理[J].铁路节能环保与安全卫生,1987(4):74.
[4]张婧.含氮废水处理新技术[J].炼油与化工,1997(1):49.
收稿日期:2018-05-24
作者简介:沈娟(1982-),女,本科,研究方向为工业纯水、废气处理、废水处理及回用。