典型集成電路制造建設項目環(huán)境影響評價中工藝廢氣源強計算

石 翔

（上海建科環(huán)境技術有限公司，上海 200032）

污染源源強計算是建設項目環(huán)境影響評價中的重要內容[1]，直接決定了污染物達標分析和環(huán)境影響預測的可信性。為支持建設項目環(huán)境影響評價和固定污染源排污許可制度的改革和實施，生態(tài)環(huán)境部于2018年3月27日發(fā)布實施 HJ 884—2018《污染源源強核算技術指南 準則》，對污染源源強核算的總體要求、核算程序、核算原則等作出原則性規(guī)定，已陸續(xù)發(fā)布了石油煉制、制藥、農藥、汽車制造、電鍍等共19個行業(yè)的污染源源強核算技術指南，尚無電子工業(yè)的指南。

本文以典型集成電路制造建設項目為例，通過工藝廢氣污染源與污染物識別分析、核算方法及參數選定、源強計算等，結合實測數據和污染物特性，提出了核算方法。

1 污染源源強計算方法與適用條件

參考 HJ 2.1—2016《環(huán)境影響評價技術導則 總綱》、HJ884—2018 及行業(yè)污染源源強核算技術指南，對廢氣污染源源強核算主要包括實測法、物料衡算法、類比分析法、產排污系數法等。

1.1 實測法

實測法是指通過現場測定得到的污染物產生或排放相關數據，進而核算出污染物單位時間產生量或排放量的方法，采用式（1）計算。適用于具有有效自動監(jiān)測數據或手工監(jiān)測數據的現有工程污染源，優(yōu)先采用自動監(jiān)測數據。

式中：Dx—核算時段內某種廢氣污染物x的產生/排放量，t；

Cx—標準狀態(tài)下某種廢氣污染物x的實測產生/排放質量濃度，mg/m3；

Q—標準狀態(tài)下的廢氣產生/排放量，m3/h；

tx—核算時段內的某種污染物x的產生/排放時間，h。

1.2 物料衡算法

物料衡算法是指根據質量守恒定律，利用物料數量或元素數量在輸入端與輸出端之間的平衡關系，計算確定污染物單位時間產生量或排放量的方法，采用式（2）、式（3）計算。

污染物產生量物料衡算法的核算公式為：

式中：Dx,產生量—核算時段內某種廢氣污染物x的產生量，t；

Dx,物料投入量—核算時段內投入物料中某種物質或元素x的量，t；

Dx,產品產出量—核算時段內進入產品中某種物質或元素x的量，t；

Dx,回收量—核算時段內進入回收產品中某種物質或元素x的量，t；

Dx,轉化量—核算時段內生產過程中被分解、轉化的某種物質或元素x的量，t。

污染物排放量物料衡算法的核算公式如式（3）所示。

式中：Dx,排放量—核算時段內某種廢氣污染物x的排放量，t；

Dx,回收量—核算時段內直接回用/回收于工藝的某種廢氣污染物x的量，t；

Dx,處理量—核算時段內治理措施凈化處理的某種廢氣污染物x的量，t。

1.3 類比法

類比法是指對比分析在原輔料及燃料成分、產品、工藝、規(guī)模、污染控制措施、管理水平等方面具有相同或類似特征的污染源。利用相關資料，確定污染物濃度、廢氣量、廢水量等相關參數進而核算污染物單位時間產生量或排放量，或者直接確定污染物單位時間產生量或排放量的方法。適用于符合類比原則且能獲取類比對象有效實測數據的情況。

1.4 產排污系數法

產排污系數法是指根據不同的原輔料及燃料、產品、工藝、規(guī)模和治理措施，選取同類污染源調查獲取的反映行業(yè)污染物產生或排放規(guī)律的產污系數，依據單位時間產品產量計算出污染物產生量或直接核算污染物單位時間排放量的方法，采用式（4）計算。適用于缺失或無有效監(jiān)測數據的情況下。其中，產污系數指未采用治理措施情況下產生量，需根據治理措施的處理效率計算得到排放量。排污系數則已包含治理措施的處理效率，直接計算可得到排放量。

式中：Dx—核算時段內某種廢氣污染物x的產生/排放量；

M—生產系數，如單位產品產量等；

βx—廢氣中某種污染物x的產生或排放系數。

2 典型案例廢氣源強計算

2.1 工藝廢氣污染源識別與污染物確定

2.1.1 工程概況

本文所述典型案例的行業(yè)類別屬“C3973集成電路制造”，為改擴建項目，主體工程為65nm 及以下12英寸集成電路芯片生產線，設計產能 3.8 萬片/月。

生產工藝主要包括清洗、擴散、離子注入、光刻、濕法刻蝕、干法刻蝕、化學氣相沉積、物理氣相沉積、化學機械研磨、銅制程等基本工序。使用的主要原輔材料包括硅片、靶材、特氣、化學試劑等四大類上百個品種，燃料為天然氣。

2.1.2 工藝廢氣污染源識別

此案例的生產過程在潔凈室內密閉機臺自動操作，特氣暫存及供應設密閉特氣柜，化學品設集中供應間，并全部設負壓集氣管路，基本沒有無組織源，工藝廢氣均為有組織源。

參考 HJ 1031—2019《排污許可證申請與核發(fā)技術規(guī)范 電子工業(yè)》，識別工藝廢氣產污環(huán)節(jié)主要為清洗、擴散、離子注入、光刻、濕法刻蝕、干法刻蝕、化學氣相沉積、化學機械研磨、銅制程、特氣及化學品供應系統(tǒng)。

該行業(yè)的生產特點是各基本工序經過多層多次反復處理，實際達到幾百道左右的工藝步數，共同組成芯片生產的全過程。生產設備繁多、按工藝布置，但不同工序之間前后具有關聯性，故建議將工藝廢氣按性質統(tǒng)一進行分類收集，而不是按單一工序收集。主要劃分為酸性廢氣、堿性廢氣、有機廢氣、酸性粉塵廢氣、特殊工藝尾氣和特氣及化學品供應系統(tǒng)廢氣等。

廢氣分類收集后，采取分質處理，其中特殊氣體工藝尾氣先經設備自帶特氣處理系統(tǒng)（POU）預處理，其對特氣的去除效率較高（工程實驗數據約 ≥ 99%），且特氣預處理后會轉化為含 HCl、HF、含氣溶膠（SiO2）等的穩(wěn)定氣體，再與其他同質廢氣就近匯總，最終設置集中末端處理措施。

2.1.3 工藝廢氣污染物確定

根據原輔料使用和生產工藝情況，選取適用的 DB 31/374—2006《半導體行業(yè)污染物排放標準》、DB 31/933—2015《大氣污染物綜合排放標準》中的污染因子，并參考 HJ 1031—2019《排污許可證申請與核發(fā)技術規(guī)范 電子工業(yè)》中的典型污染物，識別主要廢氣污染物為硫酸霧、硝酸霧、磷酸霧、HCl、HF、Cl2、NH3、AsH3、PH3、顆粒物、NOx、NMHC、TVOC 以及異丙醇、丙酮等有機特征污染物。

廢氣處理過程中，因使用燃料天然氣，末端排氣筒中還會涉及少量顆粒物、SO2以及 NOx的排放。按天然氣燃燒的顆粒物和 SO2的產污系數估算，末端排氣筒中天然氣燃燒產生的顆粒物和 SO2的排放濃度在 10-3～10-1mg/m3水平，均低于各自的檢測限。此外，酸性廢氣或酸性粉塵廢氣集中處理系統(tǒng)均采用堿液吸收，循環(huán)液中含有溶解性總固體成分，隨水分蒸發(fā)，顆粒物的測定會受到干擾，加之天然氣燃燒本身顆粒物排放量較小，易引起監(jiān)測結果的失真。從污染物排放水平、檢測結果亦受到干擾引起失真等綜合考慮，本案例對酸性廢氣、有機廢氣和酸性粉塵廢氣排氣筒中不再識別因天然氣燃燒而產生的顆粒物和 SO2。

主要工藝廢氣污染源及其污染物識別如表1所示。

表1 典型案例工藝廢氣污染源及污染物識別

2.2 核算方法及參數選定

集成電路芯片生產多數為代加工性質，產能隨訂單和季度波動，產品特性依客戶需求而定，基本工序的處理層數或次數、原輔材料的耗量均會有所變化。該行業(yè)的廢氣污染物的實測數據具有較大波動性，不同工廠之間難以滿足類比條件。

對磷酸霧、硝酸霧、AsH3、PH3等污染物而言，目前尚無發(fā)布的標準檢測方法，無法通過實測法計算。NOx和顆粒物為處理過程轉化產生，難以定量，不適宜采用物料衡算法。

對 TVOC 而言，目前尚無統(tǒng)一的國家標準檢測方法，而現有的 NMHC 或 VOCs 監(jiān)測方法難以覆蓋全部的 VOCs[2]，特別是芯片制造行業(yè)涉及的揮發(fā)性有機物種類較多，涵蓋酮類、醇類、酯類、醚類等，現有的 NMHC 監(jiān)測方法存在 FID 檢測器的響應因子、有效碳數及含氧元素等雜原子等問題[3]，監(jiān)測結果往往小于實際的揮發(fā)性有機物總和。對硫酸霧、氯化氫、氟化氫、氨等污染物而言，現有項目的產量未達設計產能，加之擴建后的產品特性發(fā)生變化，類比現有項目的實測數據估算改擴建后項目工藝廢氣的污染物源強，不具有很好的代表性。故本案例同時采用物料衡算法和類比法，計算 NMHC、TVOC、硫酸霧、HCl 和 HF 的源強，最終選取其中的保守值。

各污染物的核算方法及關鍵參數如表2所示。

表2 典型案例工藝廢氣污染物核算方法及主要參數

2.3 源強計算

采用物料衡算法時，根據各原輔材料的成分及濃度占比，采用敞露物料或酸霧散發(fā)量經驗公式計算或企業(yè)的經驗值得到揮發(fā)損失率；再結合污染治理措施的去除效率，計算得到排放源強。

采用實測法時，類比現有工程的實測數據，按產能比例折算確定改擴建后的排放源強；再結合污染治理措施的去除效率，反推計算其產生源強。典型案例工藝廢氣污染物源強計算結果如表3所示。

由表3可知，物料衡算法計算的硫酸霧、HF、HCl、NH3的排放濃度在實測濃度的波動范圍內，而 NMHC 和 TVOC 的計算值高于實測值。物料衡算法計算的排放速率偏高于實測法，其計算結果較為保守。

表3 典型案例工藝廢氣污染物源強計算結果

3 結語

集成電路芯片制造建設項目涉及的原輔材料繁多，各基本工序經多層多次反復處理形成芯片生產的全過程。該行業(yè)多數為代加工性質，產能和產品特性依客戶需求而定，基本工序的處理層數/次數以及原輔材料的耗量會發(fā)生變化，工藝廢氣污染物的源強波動較大，不同項目之間類比法難以適用，且尚無行業(yè)產排污系數，故工藝廢氣源強適宜采用物料衡算法和實測法計算。

在實際評價過程中應根據行業(yè)特點、廢氣污染源和污染物特性的不同，選擇合適的源強核算方法，以提高其適用性和準確性。磷酸霧、硝酸霧、砷化氫、磷化氫等因子，現階段尚無統(tǒng)一的國家檢測方法，可采用物料衡算法計算。NOx和顆粒物為處理過程轉化產生，難以定量，宜采用實測法。硫酸霧、氯化氫、氟化氫、氨、TVOC、NMHC 等因子，實測法和物料衡算法均適用，但物料衡算法較為保守。