柔性電路板(FPC)廢氣處理工程實(shí)例分析

袁 禮，徐 昕

(1.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.中煤科工集團(tuán)杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引言

柔性電路板(FPC)是Flexible Printed Circuit的簡(jiǎn)稱，又稱軟性線路板和撓性電路板。它是連接用于電子部件的基板和電子產(chǎn)品信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)。具有布線密度高、超薄、超輕、可折疊、裝配靈活性高等優(yōu)點(diǎn)?？稍谌S空間中自由移動(dòng)和擴(kuò)展，易于實(shí)現(xiàn)組件裝配和導(dǎo)線連接的一體化[1]。隨著手機(jī)、電腦、數(shù)碼相機(jī)等消費(fèi)類電子需求日益增長(zhǎng)，加之產(chǎn)品功能越來(lái)越強(qiáng)大，F(xiàn)PC市場(chǎng)需求也隨之增加。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果可知，預(yù)計(jì)至2022年全球FPC的產(chǎn)值將達(dá)149億美元，年復(fù)增長(zhǎng)率達(dá)到3.87%，成為PCB行業(yè)中發(fā)展最快的子行業(yè)之一，在高端電子產(chǎn)品的運(yùn)用占比越來(lái)越大[2]。

柔性電路板包括雙面板、四層板、六層HDI板。柔性電路板生產(chǎn)所用覆銅板為聚酰亞胺覆銅板。在柔性電路板生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有刺激性和部分有劇毒的廢氣。為保證車間內(nèi)的空氣質(zhì)量及室外自然環(huán)境不受污染，須對(duì)生產(chǎn)車間的廢氣進(jìn)行收集、治理后才可以給予排放，否則會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[3]。目前大多數(shù)研究和報(bào)道廢氣治理工藝主要為PCB的廢氣治理工藝，而對(duì)FPC的廢氣治理工藝鮮有報(bào)道。盡管FPC行業(yè)屬于PCB行業(yè)的子行業(yè)之一，但因其生產(chǎn)流程和工藝的不同，造成其污染物排放的大小和濃度也不同。本文以某FPC企業(yè)廢氣處理工程為例，對(duì)其廢氣來(lái)源與特征、工藝設(shè)計(jì)、工程運(yùn)行效果分析進(jìn)行介紹，以期為其他FPC企業(yè)的廢氣處理提供范例。

1 廢氣來(lái)源與特征

某FPC企業(yè)主要從事FPC生產(chǎn)加工，基于線路板生產(chǎn)工藝中需要用到若干種原料及化學(xué)藥劑，從而產(chǎn)生了大量的廢氣。FPC項(xiàng)目主要生產(chǎn)工藝為鉆孔、酸洗、微蝕、酸性蝕刻、黑孔、化學(xué)沉銅、鍍金、阻焊、文字印刷，其主要產(chǎn)生的廢氣污染物為粉塵、硫酸霧、鹽酸霧、硝酸霧、甲醛廢氣、含氨廢氣、含氰廢氣、有機(jī)廢氣(VOCs)、含錫廢氣[4-5]。該項(xiàng)目工藝生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢氣及產(chǎn)污工序詳見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目工藝生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢氣和產(chǎn)污工序

該企業(yè)廢氣污染源特征：污染物廢氣量較大、濃度較低、溢散空間較大和捕集較困難。廢氣成份較多，部分可溶于水(如硫酸霧、甲醛和氨氣)，污染因子濃度差異較大。

本廢氣處理工程對(duì)于廢氣污染物因子的排放標(biāo)準(zhǔn)要求具體如表2所示[6-8]。

表2 電鍍廢氣和其它工藝廢氣執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)

2 工藝設(shè)計(jì)

目前PCB廢氣處理工藝為：粉塵的去除主要通過(guò)噴氣式集塵機(jī)收集；硫酸霧、氯化氫采用氣液逆向吸收方式處理；非甲烷總烴主要采用活性炭吸附處理[9-10]。與PCB廢氣相比，F(xiàn)PC廢氣污染物濃度偏低，所需風(fēng)量偏低，同時(shí)所產(chǎn)生的電費(fèi)和藥劑費(fèi)也降低。本項(xiàng)目粉塵采用中央集塵，主機(jī)安裝在室外，室內(nèi)噪音低，減少噪音污染，采用外循環(huán)原理，無(wú)二次污染，管理方便；有機(jī)廢氣和含錫廢氣采用旋流塔和活性炭吸附凈化，與直接采用活性炭吸附法處理相比，本工程工藝通過(guò)旋流塔降低了有機(jī)廢氣的溫度，去除大顆粒有機(jī)物，從而提高活性炭的吸附效果，延長(zhǎng)活性炭的使用壽命。本廢氣處理工程工藝選擇如下所述。

2.1 凈化工藝的選擇依據(jù)

凈化工藝的選擇應(yīng)結(jié)合考慮以下六點(diǎn)：處理廢氣量大??；部分廢氣是否有回收利用的價(jià)值；凈化程度的要求；投資及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性；系統(tǒng)設(shè)置的占地面積及載重。

2.2 處理工藝的選擇

根據(jù)表1可知，該廢氣處理工程生產(chǎn)過(guò)程中共產(chǎn)生9類工藝廢氣，各廢氣處理系統(tǒng)風(fēng)量和入口濃度見(jiàn)表3。

表3 各廢氣處理系統(tǒng)風(fēng)量和入口濃度

2.2.1 粉塵

本項(xiàng)目處理的粉塵為樹(shù)脂纖維和銅粉，其主要產(chǎn)生于裁板、鉆孔工序。除塵工藝對(duì)三種除塵器進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，各除塵器對(duì)比分析表見(jiàn)表4。

表4 各除塵器對(duì)比分析

綜合以上因素，并結(jié)合本項(xiàng)目產(chǎn)生的粉塵特性，從經(jīng)濟(jì)上以及工藝可行性上考慮，選用布袋除塵器更為適宜。收集的粉塵將作為危廢委托相關(guān)資質(zhì)單位進(jìn)行處置。

產(chǎn)生的粉塵通過(guò)集氣管道收集后進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行處理，在布袋除塵器處理后經(jīng)20 m高排氣筒排放。

2.2.2 酸性廢氣

酸性廢氣(包括硫酸霧、氯化氫、氮氧化物)主要產(chǎn)生于DES線、OSP線、棕化線、黑孔線、化學(xué)沉銅、電鍍銅線和化學(xué)鎳金等生產(chǎn)線酸洗和蝕刻工序。項(xiàng)目DES線和黑孔線、OSP、棕化線均為水平生產(chǎn)線，電鍍銅線、化學(xué)鎳金、化學(xué)沉銅均為垂直生產(chǎn)線。水平生產(chǎn)線的設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中基本處于密封狀態(tài)，垂直生產(chǎn)線均安裝玻璃伸縮門進(jìn)行密閉。各生產(chǎn)線廢氣產(chǎn)生點(diǎn)均設(shè)置廢氣收集系統(tǒng)，廢氣收集系統(tǒng)按種類進(jìn)行收集。

對(duì)上述酸性廢氣采用堿液洗滌的方式進(jìn)行處理，利用酸堿中和原理進(jìn)行酸性廢氣的治理。

洗滌塔原理如下：洗滌塔內(nèi)設(shè)氣流分配板、特拉瑞德花環(huán)、螺旋噴嘴，120°噴灑洗滌液[11]。氣體由洗滌塔的下部進(jìn)入，從下往上通過(guò)填料層，與上部噴下的洗滌液相接觸混合。填充材料具有較高的比表面積，使氣體液體的停留時(shí)間增長(zhǎng)的填充濾材，確保塔內(nèi)的氣流均勻分布并使氣液完全接觸。同時(shí)填充濾材應(yīng)有適當(dāng)?shù)目障兑詼p少氣流上升的阻力，減少洗滌塔的壓力損失。經(jīng)洗滌塔洗滌處理后，酸性廢氣與堿性洗滌液發(fā)生中和反應(yīng)，達(dá)標(biāo)排放。廢氣洗滌塔裝置示意圖見(jiàn)圖1。

1.噴淋塔；2.循環(huán)液池；3.加藥泵；4.循環(huán)水泵 5.填料層；6.噴淋系統(tǒng)；7.除霧層；8.排水口 9.進(jìn)水口；10.廢氣入口；11.廢氣出口圖1 廢氣洗滌塔裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the waste gas scrubber device

每套收集系統(tǒng)收集后引至樓頂采用堿液洗滌塔凈化處理后經(jīng)20 m排氣筒排放。產(chǎn)生的廢水匯入綜合廢水管道然后進(jìn)入該廠污水處理站綜合廢水收集池進(jìn)行處理。

2.2.3 甲醛廢氣

甲醛廢氣主要產(chǎn)生于化學(xué)沉銅工序，另外該生產(chǎn)線中產(chǎn)生的廢氣還有酸洗、微蝕等過(guò)程產(chǎn)生的硫酸霧廢氣，且甲醛自身也易溶于水。因此，對(duì)甲醛廢氣采用堿液洗滌的方式進(jìn)行處理。

產(chǎn)生的甲醛廢氣經(jīng)集氣罩收集后與酸性氣體一并進(jìn)入堿液洗滌塔進(jìn)行凈化處理后經(jīng)20 m排氣筒排放。產(chǎn)生的廢水匯入綜合廢水管道然后進(jìn)入該廠污水處理站綜合廢水收集池進(jìn)行處理。

2.2.4 含氨廢氣

由于含氨廢氣與酸性廢氣中的氯化氫混合后反應(yīng)生成氯化氨，時(shí)間久了會(huì)在管道內(nèi)結(jié)晶和堵塞噴淋塔填料孔，縮短噴淋塔使用壽命。因此，含氨廢氣需要單獨(dú)收集處理。因本項(xiàng)目氨氣濃度低(≤6.58 mg/m3)，所以含氨廢氣采用水進(jìn)行洗滌凈化處理。

產(chǎn)生的含氨廢氣經(jīng)收集后進(jìn)入水洗滌塔凈化處理后經(jīng)20 m排氣筒排放。產(chǎn)生的廢水匯入綜合廢水管道然后進(jìn)入該廠污水處理站綜合廢水收集池進(jìn)行處理。

2.2.5 含氰廢氣

產(chǎn)生的含氰廢氣經(jīng)專用管道收集后采用堿液+次氯酸鈉兩層噴淋的洗滌塔凈化處理后經(jīng)25 m排氣筒排放。產(chǎn)生的含氰廢水匯入含氰廢水管道然后進(jìn)入該廠污水處理站含氰廢水收集池進(jìn)行處理。

2.2.6 有機(jī)廢氣和含錫廢氣

在回流焊工序會(huì)產(chǎn)生有機(jī)廢氣和含錫廢氣，綠油阻焊、烘干和文字印刷等工序均會(huì)產(chǎn)生有機(jī)廢氣。有機(jī)廢氣一般處理方法有吸收法、活性炭吸附法、催化燃燒法、焚燒法和冷凝法等方法[13-14]。吸收法是以液體為吸收劑，通過(guò)吸收裝置使廢氣中的有害成分被液體吸收，達(dá)到凈化廢氣的目的?；钚蕴课椒ㄊ抢没钚蕴?jī)?nèi)部的微孔，將廢氣中的一種或幾種組分濃集在固體表面，從而與其它組分分開(kāi)[15]。吸附時(shí)間長(zhǎng)了之后活性炭吸附劑會(huì)逐漸飽和，需要進(jìn)行再生或更換。催化燃燒是典型的氣-固相催化反應(yīng)，通過(guò)催化劑可使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度條件下，發(fā)生無(wú)焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O。焚燒法主要利用有機(jī)氣體在高溫下可以燃燒轉(zhuǎn)化為CO2和H2O的原理，將有機(jī)廢氣在高溫下分解為無(wú)毒的水和二氧化碳。冷凝法主要是利用有機(jī)物具有不同的露點(diǎn)溫度，其組分會(huì)依次被冷凝成液態(tài)而分離出來(lái)。五種主要方法比較見(jiàn)表5。

表5 五種有機(jī)廢氣處理方法適用性、技術(shù)特性比較

由上表可知，五種方法中活性炭吸附法處理成本低廉，方法成熟，實(shí)際應(yīng)用也較多。因本項(xiàng)目的有機(jī)廢氣風(fēng)量大和產(chǎn)生濃度低(≤25.8 mg/m3)，從經(jīng)濟(jì)上以及工藝可行性上考慮，采用活性炭吸附法更為適宜。活性炭的更換頻率為半年更換一次。更換產(chǎn)生的廢活性炭將作為危廢委托相關(guān)資質(zhì)單位進(jìn)行處置。

產(chǎn)生的含錫廢氣與有機(jī)廢氣一并進(jìn)入濕式旋流塔，降低有機(jī)廢氣的溫度和去除大顆粒有機(jī)物以利于提高活性炭的吸附效果，然后利用活性炭的吸附性，凈化處理后經(jīng)20 m排氣筒排放。產(chǎn)生的有機(jī)廢水匯入有機(jī)廢水管道然后進(jìn)入該廠污水處理站有機(jī)廢水收集池進(jìn)行處理。

各廢氣處理系統(tǒng)具體工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 FPC廢氣處理工藝流程圖Fig.2 FPC waste gas treatment process

2.3 廢氣處理設(shè)備細(xì)明表

表6 主要系統(tǒng)及處理設(shè)備一覽表

3 工程運(yùn)行效果分析

3.1 運(yùn)行情況

該廢氣處理工程于2017年10月調(diào)試完成并投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，處理效果可靠。圖3和圖4分別為連續(xù)兩天，每天監(jiān)測(cè)3次的各處理系統(tǒng)廢氣入口濃度和出口濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 各處理系統(tǒng)廢氣入口濃度Fig.3 Inlet concentration of waste gas in each treatment system

由圖4可以看出各處理系統(tǒng)廢氣出口濃度：硫酸霧濃度為0～0.10 mg/m3，氯化氫濃度為0.01～1.36 mg/m3，氮氧化物濃度為0～0.53 mg/m3，甲醛濃度為0.02～0.05 mg/m3，氨氣濃度為0.48～0.66 mg/m3，氰化氫濃度為0.02～0.13 mg/m3，含錫廢氣濃度為0.75～2.35 mg/m3，VOCs濃度為0.846～2.505 mg/m3，粉塵濃度為1.47～2.56 mg/m3，各項(xiàng)指標(biāo)均低于排放限值，達(dá)到設(shè)計(jì)要求和預(yù)期目的。

圖4 各處理系統(tǒng)廢氣出口濃度Fig.4 Outlet concentration of waste gas in each treatment system

3.2 運(yùn)行管理

本廢氣處理系統(tǒng)在運(yùn)行中采用智能化的操作方式，對(duì)運(yùn)行情況實(shí)行全程監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，并設(shè)有報(bào)警功能。在運(yùn)行過(guò)程中遇到風(fēng)量風(fēng)壓的變化，經(jīng)壓差變送器將信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)控制變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率，從而節(jié)能降耗[16]。系統(tǒng)的保養(yǎng)維護(hù)點(diǎn)較少，主要是對(duì)噴淋塔系統(tǒng)的水箱定期換水(更換頻率為2次/月，一次更換量為42 m3)、pH和ORP值進(jìn)行記錄，對(duì)活性炭吸附箱的壓差值進(jìn)行記錄和定期更換活性炭(更換頻率2次/年，一次更換量為10噸)，對(duì)電機(jī)上油及電箱除塵等。系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生故障的概率很低。

3.3 投資與運(yùn)行成本分析

該項(xiàng)目總投資270萬(wàn)元，年運(yùn)行費(fèi)用198.96萬(wàn)元。運(yùn)行費(fèi)用主要包括藥劑費(fèi)、電費(fèi)、自來(lái)水費(fèi)、污水處理費(fèi)、活性炭費(fèi)和人工費(fèi)。年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算見(jiàn)表7和各項(xiàng)費(fèi)用占比見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，其年運(yùn)行費(fèi)用主要費(fèi)用為電費(fèi)，占比為90.9%，所以應(yīng)該積極對(duì)其成本進(jìn)行控制。本廢氣處理設(shè)備各系統(tǒng)風(fēng)機(jī)均采用國(guó)家高效節(jié)能電機(jī)和變頻控制。在日常生產(chǎn)中需做到以下3點(diǎn)來(lái)減少相應(yīng)的電費(fèi)支出，從而控制年運(yùn)行成本：將變頻器頻率調(diào)至車間所需風(fēng)量；定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，減少壓力損失，使風(fēng)機(jī)處于優(yōu)良工作工段，確保廢氣設(shè)備高效的運(yùn)行；現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)對(duì)相近的兩套有機(jī)廢氣進(jìn)行了管路并聯(lián)，當(dāng)其中一套廢氣設(shè)備風(fēng)量需求較小時(shí)，切換閥門，開(kāi)一套處理廢氣系統(tǒng)即可。

表7 年運(yùn)行費(fèi)用

圖5 各項(xiàng)費(fèi)用占比Fig.5 Proportion of each expense

4 結(jié)論

本工程結(jié)構(gòu)主要采用聚丙烯材料和鋼結(jié)構(gòu)材料，構(gòu)筑物占地面積小，使得整個(gè)廢氣處理工藝更加緊湊，便于設(shè)備的運(yùn)營(yíng)和管理。該設(shè)備自動(dòng)化程度高，設(shè)備配備穩(wěn)定可靠的ORP儀表、pH儀表、脈沖自動(dòng)噴吹系統(tǒng)和自動(dòng)卸料系統(tǒng)，可最大限度地降低勞動(dòng)力，顯著提高廢氣處理效率和處理設(shè)施運(yùn)行的穩(wěn)定性。

根據(jù)該FPC廠的廢氣排放指標(biāo)的控制情況，粉塵采用布袋除塵器凈化，有機(jī)廢氣和含錫廢氣采用旋流塔和活性炭吸附凈化，酸性廢氣和甲醛均采用堿液洗滌凈化，含氨廢氣采用水洗滌凈化，含氰廢氣采用液堿+次氯酸鈉洗滌凈化的工藝來(lái)凈化廢氣，具有良好的環(huán)境效益。排氣硫酸霧≤0.1 mg/m3、鹽酸霧≤1.36 mg/m3、氮氧化物≤1.74 mg/m3、氨氣≤0.66 mg/m3、甲醛≤0.11 mg/m3、氰化氫≤0.13 mg/m3、有機(jī)廢氣≤2.45 mg/m3、含錫廢氣≤2.35 mg/m3、顆粒物≤2.56 mg/m3，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)。