氣態(tài)膜分離技術對含氨廢氣的回收

摘要：超純氨氣是電子工業(yè)中的重要電子氣體，LED外延片在生產過程中，整個MOCVD 反應過程在富N 的環(huán)境下進行，每臺MOCVD一天要用超純氨氣約40kg。氨氣在MOCVD 爐中只有約0.03%的N 隨反應氨氣進入外延片中生成N 層；約29.97%的氨氣分解成氮氣和氫氣，最終以氣態(tài)形式排入大氣；約70%的氨氣未發(fā)生反應。大量的氣態(tài)氨通過管道排出，造成原材料的浪費。氨氣是一種無色、有刺激性惡臭味的氣體，它在常溫下為氣態(tài)，極易溶于水，氨作為國家法規(guī)限值排放污染物，具有毒性和腐蝕性，易對生態(tài)環(huán)境造成污染，因此MOCVD排放的廢氨氣處理已經(jīng)成為LED芯片生產廠家迫切需要解決的問題。某光電公司為了防止廢氣排放對周圍環(huán)境造成污染，決定利用氣態(tài)膜分離技術對排放的含氨廢氣進行回收成一定的氨水，并產生一定的經(jīng)濟效益，達到變廢為寶的目的。

關鍵詞：含氨廢水；氣態(tài)膜；膜分離技術；氨水

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：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 工藝設計

某光電公司現(xiàn)有MOCVD機臺80臺，含氨廢氣預估風量約為1500m3/h，需處理后滿足《惡臭污染物排放標準》GB14554-1993的要求，氨氣排放濃度控制在4.9kg/h。含氨廢氣處理一般采用水吸收法、化學中和法或燃燒法，各處理法比較如下：

結合氨氣及氨水特性及實踐數(shù)據(jù)，某光電公司選用先進的氣態(tài)分離膜技術，結合水吸收法，利用氣態(tài)分離膜的親氨疏水特性，采用“風機增壓→熱氣過濾、冷卻→五級氨氣回收系統(tǒng)（氣態(tài)分離膜+低溫超純水高效吸收）→15%濃度氨水回收（剩余1%的N 隨未吸收氨氣排入大氣）”的處理工藝將含氨廢氣處理回收利用，達到治污，變廢為寶的目的。整個氨氣回收系統(tǒng)相當于傳統(tǒng)吹脫塔+化學吸收塔的微觀組合，氣態(tài)分離膜同時實現(xiàn)氨的分離與富集，氨氣回收率達99%，基本實現(xiàn)氨氣零排放[1]。詳細工藝流程如圖1。本項目將每20臺MOCVD的含氨廢氣用不銹鋼管道連接至氨氣回收站中，再設計4套氣態(tài)分離膜回收系統(tǒng)，這樣設計既可將4套系統(tǒng)互為備用，又能保證MOCVD尾氣的負壓穩(wěn)定。

1.1 風機增壓

MOCVD含氨廢氣通過集氣管道收集后由高壓漩渦風機吸氣增壓輸送至處理系統(tǒng)。在風機前官道上設置負壓傳感器，保證MOCVD機臺排氣保有一定的負壓值，如機臺排氣量有變化，風機可根據(jù)傳感器接收的信號自動迅速地調整電機頻率[2]。

1.2 熱氣過濾、冷卻

MOCVD含氨廢氣經(jīng)過風機增壓引入系統(tǒng)，由于MOCVD爐廢氣中含微塵，需采用過濾器預除去廢氣中的細小顆粒物。同時MOCVD尾氣溫度較高，為使得廢氣溫度低于膜吸收組件的耐溫上限（小于60℃），需對尾氣進行換熱降溫。換熱主要是防止高溫的廢氣和廢氣在管道內的摩擦發(fā)熱對后序氨氣分離膜組件產生熱破壞，一般將含氨廢氣溫度控制在50℃以下以利于后序氣態(tài)分離膜組件的運行[3]。

1.3 五級氨氣回收系統(tǒng)

將RO純水加入一個固定的吸收液箱，通過離心泵提升進入氨氣回收系統(tǒng)循環(huán)吸收。在進入氨氣回收系統(tǒng)前對RO純水經(jīng)過制冷系統(tǒng)冷卻至4～6℃，從膜吸收組件吸收液入口進入氣態(tài)分離膜組件。每級氨氣回收系統(tǒng)配20支氣態(tài)分離膜組件，每支氣態(tài)分離膜組件膜壁孔徑為0.0001～20μm，吸收面積為105m2，并聯(lián)排列。氨氣回收系統(tǒng)入口風壓控制在35～40kPa，氣態(tài)分離膜為中空纖維微孔膜，廢氣和冷凍純水分別在膜的兩側，氨氣透過膜孔被另一側的冷凍純水所吸收進入吸收液。氣態(tài)分離膜親氣而疏水，氨氣從膜的極微小的孔徑內透過進入另一側的吸收液中，而吸收液卻不能進入氨氣流動一側。氨氣回收系統(tǒng)中，各路流體的狀態(tài)參數(shù)均通過傳感器轉送至自動控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)回傳的信號進行相應的調整，保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)[4]。

氨氣與低溫的純水相遇迅速溶于水中形成稀氨水后進入吸收液箱，同時產生大量的反應熱。本工藝中設有五級吸收氨氣的吸收液箱，在第五級吸收液箱是最濃的，當?shù)谖寮壩找合溥_到濃度時自動排放到氨水儲槽，此時第四級吸收液箱內的還未達濃度要求的氨水會通過五級液位傳感器發(fā)出的低液位信號控制電動三通閥切換排入第五級吸收液箱進行進一步吸收以增加濃度。由此方式第三級排入第四級，第二級排入第三級，依次進行。多級膜吸收組件的吸收液經(jīng)多次循環(huán)后，可以達到20%以上的濃度品格，作為成品氨水引出。再補充純水，重復以上步驟。

1.4 超低含氨廢氣處理

由于氣態(tài)分離膜系統(tǒng)預先去除了大部分氨，總去除效率達99%，剩余1%的超低含氨廢氣從膜吸收組件下方排出，接入尾氣吸收酸池。經(jīng)吸收酸池吸收后尾氣中氨濃度極低，可以穩(wěn)定達標排放。

2 經(jīng)濟效益分析

以下經(jīng)濟效益分析所采用的數(shù)據(jù)僅按估計值計算：

（1）系統(tǒng)每天總運行功率為700kW，按每度電0.7元計算，則每天需耗電490元。（2）系統(tǒng)每天需耗RO純水5t，按每噸RO純水水費為10元計算，則每天需耗水50元。（3）系統(tǒng)每月需更換2個濾芯，每個濾芯以500元計算，則濾芯每天需消耗30元；氣態(tài)分離膜為6年更換一次，每支氣態(tài)分離膜以6000元，每次更換400支，則氣態(tài)分離膜每天消耗約1150元。（4）每天產生6t濃度在20%左右的濃氨水，每噸氨水按600元/t計算，則每天收益為3600元。（5）按以上四項數(shù)據(jù)估算，不包含設備折舊費和人工費，采用氣態(tài)分離膜對含氨廢氣回收每天可產生經(jīng)濟效益約1880元，每年可創(chuàng)造經(jīng)濟效益約66萬元。

3 結束語

目前我國有LED生產企業(yè)近百家， MOCVD保有量超過1600臺，含氨廢氣產生量較大。如果只是達標排放，存在排氣排放量大，資源無法回收，環(huán)境與經(jīng)濟效益低等弊端。采用氣態(tài)分離膜工藝對含氨廢氣進行資源化回收，具有分離與回收氨效率高，可獲得高濃度的純氨水。無二次污染、能耗低、無需二次處理廢液或廢固等特點，使含氨廢氣實現(xiàn)閉路循環(huán)，基本實現(xiàn)零排放，達到節(jié)約資源和保護環(huán)境的目的。該項目運行3年來，獲得各級環(huán)保部門的認可，并獲得了多項科技創(chuàng)新獎勵，為客戶產生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]GB/T 35315-2017，LED行業(yè)用氨氣處理指南[S].

[2]孫猛.LED行業(yè)用廢氨氣處理技術[J].低溫與特氣，2016，34（1）： 43-46.

[3]危紅.熱處理氮化工藝中廢氨氣的處理[J].鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，1987（4）：74.

[4]張婧.含氮廢水處理新技術[J].煉油與化工，1997（1）：49.

收稿日期：2018-05-24

作者簡介：沈娟（1982-），女，本科，研究方向為工業(yè)純水、廢氣處理、廢水處理及回用。