北京市電子工業(yè)VOCs排放特征及行業(yè)排放強(qiáng)度對比

崔陽陽， 周 震， 閆 靜， 李家毅， 全 京， 曹西子， 丁淮劍， 薛亦峰*

1.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心， 北京 100037 2.中國電子工程設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100840 3.北京京東方光電科技有限公司， 北京 100176

北京市作為中國首都和特大型城市，其空氣質(zhì)量是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn). 為改善空氣質(zhì)量，北京市自1998年起采取了一系列的大氣污染控制措施，包含能源結(jié)構(gòu)和工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化. 在工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，北京市制定《鼓勵(lì)發(fā)展的高精尖產(chǎn)品目錄》《新增產(chǎn)業(yè)的禁止和限制目錄》來調(diào)節(jié)工業(yè)發(fā)展方向，逐步淘汰和退出高能耗、高污染排放的產(chǎn)業(yè)，鼓勵(lì)發(fā)展技術(shù)水平高、附加值高和污染排放少的工業(yè)行業(yè)[1-7]. 在此背景下，具有技術(shù)密集和附加值高特點(diǎn)的電子工業(yè)在北京市得到較大發(fā)展，同時(shí)限制了如家具制造、印刷等污染排放較大的傳統(tǒng)溶劑使用行業(yè)的發(fā)展，使北京市工業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化. 因此，為印證工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整所產(chǎn)生的環(huán)境效益，開展電子工業(yè)污染排放特征研究及與其他典型溶劑使用源排放強(qiáng)度的對比分析十分必要.

目前，國內(nèi)外對于電子工業(yè)VOCs污染排放研究較少，美國環(huán)境保護(hù)局(US EPA)和歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)(EEA)排放清單指南均未推薦電子工業(yè)VOCs排放因子. 部分學(xué)者對于電子工業(yè)子類別開展了VOCs排放特征及控制對策研究，如張世豪等[8]分析中國顯示器件行業(yè)VOCs排放特征，并提出了相應(yīng)控制對策；肖景方等[9]以印刷電路板為研究對象，通過樣品溶劑解吸分析，獲得了產(chǎn)品VOCs排放特征；徐捷等[10]采用工藝調(diào)查與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合的方法，研究了電子半導(dǎo)體行業(yè)VOCs排放水平；崔陽陽等[11]對中國集成電路VOCs排放特征及控制對策進(jìn)行了研究；Baek等[12]對韓國魚尾市2003—2011年電子工業(yè)VOCs排放濃度變化趨勢進(jìn)行研究. 但對于整個(gè)電子工業(yè)VOCs排放狀況及與其他溶劑使用行業(yè)排放強(qiáng)度比較分析的研究較少，不足以產(chǎn)生對工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的啟發(fā)和建議.

為更好地掌握北京市電子工業(yè)VOCs排放特征及與其他溶劑使用行業(yè)的排放差異，筆者通過實(shí)際監(jiān)測，識別電子工業(yè)有組織和無組織VOCs排放水平，采用產(chǎn)污系數(shù)法并結(jié)合集氣效率和去除效率，核算2019年北京市電子工業(yè)VOCs排放量和各子行業(yè)的排放貢獻(xiàn)，并與其他典型溶劑使用行業(yè)的VOCs排放強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，以期為工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供啟發(fā)和建議.

1 材料與方法

1.1 研究對象

電子工業(yè)是制造電子設(shè)備、電子元件、電子器件及其專用原材料的工業(yè)部門，包括電子專用材料制造、電子元件、電子器件和電子終端產(chǎn)品生產(chǎn)等[13-14]. 電子工業(yè)生產(chǎn)過程會(huì)產(chǎn)生有機(jī)廢氣、酸性廢氣、堿性廢氣以及含塵廢氣. 有機(jī)廢氣主要來源于有機(jī)溶劑清洗、光刻、顯影、涂膠、剝離等工序大量使用的有機(jī)溶劑的揮發(fā)[15-17]. 產(chǎn)生的有機(jī)廢氣未經(jīng)收集，通過溶劑儲罐裝卸及儲存、清洗廢水處理等環(huán)節(jié)逸散排入大氣的為無組織排放；一部分有機(jī)廢氣經(jīng)收集后，通過VOCs控制技術(shù)凈化后排入大氣的為有組織排放[18-20]. 電子工業(yè)VOCs排放環(huán)節(jié)如圖1所示.

圖1 電子工業(yè)VOCs排放環(huán)節(jié)Fig.1 VOCs emissions of electronics industry

根據(jù)調(diào)查，北京市約有148家電子工業(yè)企業(yè)，其中電子元件制造、電子器件制造、電子設(shè)備制造、通信設(shè)備制造和計(jì)算機(jī)制造分別占企業(yè)總數(shù)的31%、27%、16%、13%和10%，其他行業(yè)占比為3%〔見圖2(a)〕. 電子工業(yè)企業(yè)主要集中在北京市功能拓展區(qū)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，與這些區(qū)域技術(shù)人員密集、工業(yè)配套設(shè)施齊全有關(guān)〔見圖2(b)〕. 電子工業(yè)產(chǎn)值占全市總產(chǎn)值的4.2%，單個(gè)企業(yè)平均工業(yè)產(chǎn)值較高.

圖2 北京市電子工業(yè)企業(yè)行業(yè)分布和空間分布Fig.2 Distribution of electronics industry enterprises and spatial distribution of Beijing

1.2 VOCs排放監(jiān)測

為識別電子工業(yè)有組織VOCs排放水平，于2019年10—11月選取電子器件制造、電子元件制造中4個(gè)子類別(集成電路制造、顯示器件制造、電子專用材料制造以及半導(dǎo)體分立器件制造)11家典型企業(yè)進(jìn)行VOCs排放實(shí)際監(jiān)測. 采用氣袋法采集樣品，為避免氣袋內(nèi)原有空氣對測試結(jié)果的影響，采樣前使用氮?dú)鈱獯逑粗辽?次，并使用氣袋式真空采樣箱(Model 1062，美國瑞斯泰克公司)進(jìn)行樣品采集. 有組織VOCs排放監(jiān)測按照HJ 732—2014《固定污染源廢氣揮發(fā)性有機(jī)物的采樣 氣袋法》分時(shí)段對廢氣進(jìn)行采樣，采集到的樣品避光處理后送至實(shí)驗(yàn)室，在24 h內(nèi)利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(Agilent 7890A-5975C，美國安捷倫公司)進(jìn)行樣品分析[8]. 按照HJ/T 55—2000《大氣污染物無組織排放監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》要求對各典型企業(yè)廠界外上風(fēng)向設(shè)置1個(gè)參照點(diǎn)，下方向廠界外10 m范圍內(nèi)設(shè)置4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)行連續(xù)1 h的采樣，獲得其無組織VOCs排放濃度水平. 共采集有組織排放數(shù)據(jù)樣本34組，無組織排放數(shù)據(jù)樣本36組.

在實(shí)際監(jiān)測過程中由于潔凈房的要求，產(chǎn)生的VOCs不易到達(dá)凈化裝置的進(jìn)口，未對進(jìn)口VOCs濃度進(jìn)行監(jiān)測，故廢氣集氣效率和去除效率根據(jù)調(diào)查企業(yè)廢氣收集、凈化裝置類別進(jìn)行判定. 其收集和去除效率來自《揮發(fā)性有機(jī)物排污費(fèi)征收細(xì)則》[21]提供的各類型的集氣效率及去除效率. 現(xiàn)場調(diào)研方法為調(diào)查人員攜帶制作好的調(diào)查表(包括企業(yè)基本信息、輔料使用情況、廢氣收集裝置類型及廢氣治理裝置類型等信息)到企業(yè)，結(jié)合現(xiàn)場情況及與企業(yè)座談的情況進(jìn)行填寫.

1.3 VOCs排放量核算

采用產(chǎn)污系數(shù)法進(jìn)行電子工業(yè)VOCs產(chǎn)生量的核算，通過各工段原輔料使用情況結(jié)合產(chǎn)污系數(shù)計(jì)算VOCs產(chǎn)生量，并根據(jù)企業(yè)集氣效率、去除效率通過物料衡算法計(jì)算相應(yīng)有組織和無組織排放量，最后匯總得到北京市電子工業(yè)VOCs排放量. 產(chǎn)污系數(shù)來自《計(jì)算機(jī)、通信和其他電子設(shè)備制造行業(yè)系數(shù)手冊》提供的系數(shù)[22](見表1)，排放量核算公式：

表1 電子工業(yè)各工段VOCs產(chǎn)生系數(shù)

[Pi×Mi×(1-αi)]

(1)

式中：E為VOCs排放量，g；Pi為工段i對應(yīng)的VOCs產(chǎn)生系數(shù)，g/kg (以有機(jī)溶劑使用量計(jì))；Mi為工段i有機(jī)溶劑使用量，kg；ηi為工段i控制技術(shù)的平均去除效率，%；αi為工段i廢氣收集效率，%. 廢氣收集效率和去除效率根據(jù)各企業(yè)實(shí)際情況調(diào)研確定.

2 結(jié)果與討論

2.1 電子工業(yè)VOCs排放特征

電子工業(yè)生產(chǎn)涉及電子元器件、電子專用材料及電子終端產(chǎn)品等多種產(chǎn)品類型. 使用有機(jī)溶劑的環(huán)節(jié)包括光刻、清洗和剝離，有機(jī)溶劑類型主要為光刻膠、稀釋劑、異丙醇或丙酮等清洗劑和去除劑. 根據(jù)對電子工業(yè)企業(yè)原輔料使用情況調(diào)研，結(jié)合主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)有機(jī)溶劑使用強(qiáng)度，獲得了其有機(jī)物料使用和廢氣產(chǎn)生的規(guī)律和特點(diǎn)(見圖3). 由圖3可見，電子工業(yè)有機(jī)溶劑使用分布上，光刻膠、稀釋劑、清洗劑和去除劑分別占3%、81%、6%和10%，有機(jī)物料進(jìn)入產(chǎn)品、廢液和產(chǎn)生廢氣的比例分別為71%、13%、16%. 有機(jī)廢氣中無組織排放和有組織排放分別占40%～50%、50%～60%.

圖3 有機(jī)溶劑使用及廢氣產(chǎn)生規(guī)律Fig.3 Organic solvent usage and exhaust gas generation law

對于電子工業(yè)有組織VOCs排放水平，根據(jù)對4個(gè)重點(diǎn)行業(yè)11家典型企業(yè)有機(jī)廢氣排放口的監(jiān)測結(jié)果顯示，VOCs平均排放濃度為2.3 mg/m3(見圖4)，低于DB11/ 1631—2019《北京市電子工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》第I時(shí)段排放限值(20 mg/m3). 在采用轉(zhuǎn)輪濃縮+焚燒、催化燃燒+蓄熱式燃燒等高效的末端控制技術(shù)后[23]，電子工業(yè)VOCs有組織排放濃度較低，但有機(jī)廢氣量較大(平均值為2.56×104m3/h). 不同行業(yè)VOCs排放濃度有一定的差異，主要與其采用的控制技術(shù)不同有關(guān).

圖4 主要電子工業(yè)有組織VOCs排放水平Fig.4 Emission levels of organized VOCs for major electronics industries

同樣在典型電子工業(yè)企業(yè)廠界上風(fēng)向設(shè)置1個(gè)參照點(diǎn)，下方向廠界外10 m范圍內(nèi)設(shè)置4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，對無組織VOCs排放水平進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果顯示，VOCs無組織排放濃度為0.4～2.3 mg/m3，平均值為1.1 mg/m3(見圖5)，略超過DB11/ 501—2017《北京市大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中無組織VOCs排放濃度限值(1 mg/m3)，需要引起足夠的重視. 電子工業(yè)生產(chǎn)過程中存在較多的VOCs無組織排放環(huán)節(jié)，從產(chǎn)品生產(chǎn)中各類有機(jī)溶劑的使用到有機(jī)溶劑的轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存、生產(chǎn)廢水中VOCs的逸散等多個(gè)環(huán)節(jié)都存在無組織排放情況[24]，導(dǎo)致VOCs無組織排放濃度較高.

圖5 主要電子工業(yè)無組織VOCs排放水平Fig.5 Emission levels of unorganized VOCs for major electronics industries

2.2 電子工業(yè)VOCs排放量及子行業(yè)排放貢獻(xiàn)

根據(jù)1.3節(jié)中排放量核算方法，得到2019年北京市電子工業(yè)VOCs排放量為 1 542 t (見圖6)，約占北京市人為源VOCs排放總量的1%[25]，低于工業(yè)產(chǎn)值貢獻(xiàn)比例，具有產(chǎn)值高、污染小的特點(diǎn)，生產(chǎn)相對清潔. 通常情況下，電子工業(yè)可分為上、中、下游3個(gè)層次，中游產(chǎn)業(yè)主要包括半導(dǎo)體器件、顯示器件等電子器件及電子元件等多種電子產(chǎn)品制造，上、下游則主要涵蓋了一些電子產(chǎn)品組裝工業(yè)及產(chǎn)品原材料的提供，VOCs排放環(huán)節(jié)較少，因此電子工業(yè)VOCs主要集中在產(chǎn)業(yè)中游，且產(chǎn)品產(chǎn)量較大，是電子工業(yè)VOCs的主要來源. 電子器件制造屬于中游產(chǎn)業(yè)，主要包含集成電路、顯示器件等產(chǎn)品制造，VOCs排放量占比較大，其中顯示器件制造年排放量為 1 088 t，約占電子工業(yè)VOCs排放總量的71%，集成電路制造行業(yè)年排放量為277 t，約占電子工業(yè)VOCs排放總量的18%.

圖6 2019年北京市電子工業(yè)各子行業(yè)VOCs排放量及貢獻(xiàn)比例Fig.6 VOCs emissions and contribution of various sub-industies of Beijing, 2019

盡管電子器件制造行業(yè)涉及企業(yè)數(shù)量僅占北京市電子工業(yè)企業(yè)總量的27%，但由于行業(yè)涉及4家大型有機(jī)溶劑使用企業(yè)，占電子工業(yè)大型有機(jī)溶劑使用企業(yè)總數(shù)的66.7%，行業(yè)有機(jī)溶劑年使用量達(dá)8 577 t，約占電子工業(yè)有機(jī)溶劑使用總量的90%，使得行業(yè)排放貢獻(xiàn)進(jìn)一步加大. 因此，在未來電子工業(yè)的發(fā)展規(guī)劃與VOCs減排工作的進(jìn)行中，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整上、中、下游產(chǎn)業(yè)企業(yè)所占比重，在產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)不受影響的前提下，適當(dāng)減少中游產(chǎn)業(yè)企業(yè)數(shù)量；同時(shí)對生產(chǎn)中有機(jī)溶劑使用量大的產(chǎn)品，在其生產(chǎn)工段積極選擇低揮發(fā)性有機(jī)溶劑進(jìn)行替代生產(chǎn)，并進(jìn)一步加大行業(yè)去除效率和廢氣收集效率，對生產(chǎn)不規(guī)范的企業(yè)加大整改力度，督促其使用集氣和去除效率更高的廢氣收集和治理設(shè)施，降低VOCs排放量.

2.3 與其他溶劑使用行業(yè)排放強(qiáng)度對比

電子工業(yè)具有技術(shù)密集和附加值較高的特點(diǎn)[26-27]，通過采取有效的廢氣收集和控制技術(shù)，有組織VOCs排放水平能得到大幅降低. 為說明電子工業(yè)在典型溶劑使用行業(yè)中的污染排放程度，該研究對比電子工業(yè)、家具制造、印刷行業(yè)單位GDP的VOCs排放強(qiáng)度(見圖7).

圖7 典型溶劑使用行業(yè)VOCs排放強(qiáng)度對比Fig.7 Comparison of VOCs emission intensity of typical solvent industries

根據(jù)環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取各行業(yè)有機(jī)溶劑年使用量及行業(yè)GDP[28]，從而計(jì)算行業(yè)排放強(qiáng)度. 由圖7可見，電子工業(yè)VOCs排放強(qiáng)度(25.5 kg/t)遠(yuǎn)小于家具制造(433 kg/t)和印刷行業(yè)(233 kg/t)等傳統(tǒng)溶劑使用行業(yè)，這主要是由于電子工業(yè)與傳統(tǒng)溶劑使用行業(yè)相比，有機(jī)溶劑使用總量較小，且電子工業(yè)所使用的有機(jī)溶劑的揮發(fā)性與家具制造、印刷行業(yè)所使用的油墨、油漆等有機(jī)溶劑相比小得多，因此排放強(qiáng)度較小. 電子工業(yè)單位GDP的VOCs排放強(qiáng)度更低，為 8×10-4kg/(108t·元)，分別是家具制造和印刷行業(yè)的1/2 750 和1/3 250. 因此，從行業(yè)VOCs排放強(qiáng)度的對比結(jié)果來看，電子工業(yè)相對較為清潔，在創(chuàng)造同樣的工業(yè)產(chǎn)值情況下，VOCs排放量較少，能夠符合北京市依靠科技發(fā)展、綠色發(fā)展的產(chǎn)業(yè)定位，也印證了調(diào)整北京市工業(yè)結(jié)構(gòu)能夠取得良好的污染減排效果.

2.4 對工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的啟示和建議

北京市加快了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級，推進(jìn)高污染、高耗能行業(yè)的淘汰進(jìn)程，當(dāng)前冶煉及熱軋工序全面停產(chǎn)，焦化廠及部分石化公司有機(jī)化工廠等有污染的化工企業(yè)全部搬遷或原址停產(chǎn)[29-32]，同時(shí)開展了小化工企業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整工作，關(guān)停部分中小型石膏板廠及玻璃廠等，大力發(fā)展技術(shù)密度性和附加值高的工業(yè)類型，取得了顯著成效[33-35]. 截至2019年，北京市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)(優(yōu)和良)天數(shù)為240 d，達(dá)標(biāo)比例為65.8%，比2013年增加64 d[36]，工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整對于污染減排和空氣質(zhì)量改善扮演了重要的作用. 該研究通過上述行業(yè)VOCs排放強(qiáng)度對比及電子工業(yè)VOCs排放特點(diǎn)分析，可以看到北京市工業(yè)發(fā)展已逐步從傳統(tǒng)溶劑使用行業(yè)向相對清潔的工業(yè)行業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從而有效地推動(dòng)了大氣污染物的減排.

對于其他地區(qū)進(jìn)行工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化的幾點(diǎn)啟示：①要統(tǒng)籌行業(yè)污染排放績效和地區(qū)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，將各行業(yè)排放強(qiáng)度綜合對比分析結(jié)果作為行業(yè)篩選依據(jù)之一，逐步限制發(fā)展排放績效低的工業(yè)類別，鼓勵(lì)發(fā)展相對清潔、技術(shù)密集型和附加值高的行業(yè)類別發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)地區(qū)工業(yè)結(jié)構(gòu)向綠色低排放轉(zhuǎn)型. ②電子工業(yè)雖然相對其他行業(yè)VOCs排放較少，但電子工業(yè)內(nèi)子類別也較多，也存在排放差異性，需要進(jìn)一步應(yīng)用綜合規(guī)劃、環(huán)境管理制度、行業(yè)政策、經(jīng)濟(jì)政策等多種手段，調(diào)節(jié)電子工業(yè)結(jié)構(gòu)和子行業(yè)的發(fā)展.

對于電子工業(yè)VOCs防治的幾點(diǎn)建議：①針對性地建立電子工業(yè)VOCs污染防治工作方案和總體規(guī)劃，提出中、長期電子工業(yè)VOCs削減目標(biāo)和計(jì)劃. ②嚴(yán)格新建電子工業(yè)企業(yè)建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境準(zhǔn)入，控制新增污染物排放量，對進(jìn)入工業(yè)園區(qū)的新建電子工業(yè)企業(yè)進(jìn)行污染綜合治理. 從整體出發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)集群與園區(qū)之間的高效對接，將集成電路制造、顯示器件制造等重點(diǎn)VOCs排放子行業(yè)與節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)進(jìn)行對接，提高資源利用效率，減少VOCs排放.

3 結(jié)論

a) 通過電子工業(yè)與其他行業(yè)的VOCs排放強(qiáng)度對比發(fā)現(xiàn)，電子工業(yè)與傳統(tǒng)溶劑使用行業(yè)相比較為清潔，其單位工業(yè)產(chǎn)值VOCs排放強(qiáng)度僅為家具制造、印刷行業(yè)的1/2 750 和1/3 250，具有產(chǎn)值高、VOCs污染排放強(qiáng)度低的特點(diǎn)，反映了工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對于空氣質(zhì)量改善的作用.

b) 盡管電子工業(yè)較為清潔，但仍具有污染減排空間. 對其VOCs排放構(gòu)成的分析中發(fā)現(xiàn)，顯示器件制造、集成電路制造等行業(yè)類別VOCs排放占比較大,分別為71%和18%，有組織排放仍占主導(dǎo)，無組織排放貢獻(xiàn)逐年上升. 可從源頭的溶劑替代、有機(jī)廢氣收集效率的提高等方面降低其VOCs排放，并加強(qiáng)電子工業(yè)產(chǎn)業(yè)布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

c) 對于其他城市工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的啟示：應(yīng)根據(jù)各自城市發(fā)展及經(jīng)濟(jì)水平，在條件允許的前提下逐步限制發(fā)展排放績效較好的工業(yè)類別，鼓勵(lì)發(fā)展相對清潔、技術(shù)密集型和附加值高的行業(yè)類別，促進(jìn)空氣質(zhì)量的持續(xù)改善.

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