TWI722956B - 結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的pm2.5控制設備 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的PM2.5控制設備，其包括一微粒凝結成長器及一濕式多噴嘴慣性衝擊器；其中，氣膠流中的微粒會在微粒凝結成長器中凝結成長為較大的粒徑，而後在濕式多噴嘴慣性衝擊器中被注水式的濕式衝擊板收集及洗除，從而實現了低壓損、低處理成本及高收集效率等效果。

Description

結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的PM2.5控制設備

本發明是關於一種微粒收集設備。

在半導體產業中，由處理室或高溫洗滌器產生的次微米和微小顆粒的排放經常無法得到妥善的處理，從而成為白煙排放的來源。現有的微粒控制裝置包括靜電集塵器、集塵室及文式洗滌器，這些微粒控制裝置分別因為不能用於去除***物、有著火危險並佔用大量空間、以及具有大的壓損而不能令人滿意。因此，如何提供一種能避免前述缺失的簡易微粒控制裝置實是本領域技術人員所思量的。

本發明之主要目的在於提供一種簡易的微粒控制裝置。

為了達成上述及其他目的，本發明提供一種結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的PM2.5控制設備，其包括一微粒凝結成長器及一濕式多噴嘴慣性衝擊器；微粒凝結成長器包括一氣膠流入口、一蒸汽流入口、一混合腔、一成長腔及一混合氣膠流出口，該氣膠流入口連通於該混合腔並位於該混合腔的上游，該蒸汽流入口位於該混合腔內，該成長腔位於該混合腔的下游，該混合氣膠流出口連通於該成長腔並位於該成長腔的下游；濕式多噴嘴慣性衝擊器包括一混合氣膠流入口、一預備腔、一噴嘴板、一注水式衝擊板、一介於噴嘴板與注水式衝擊板之間的間隙、一尾流腔及一尾流出口，該混合氣膠流入口連通於該混合氣膠流出口及該預備腔並位於該預備腔的上游，該噴嘴板設於該注水式衝擊板並位於該預備腔與該注水式衝擊板之間，且該噴嘴板具有多個連通於該預備腔與該衝擊腔之間的噴孔，該注水式衝擊板具有一微粒衝擊面、至少一形成於該微粒衝擊面的注水口、一注水流道、一局部環繞該微粒衝擊面的集水井、一局部環繞該集水井的氣流通道及一汲水流道，該注水流道連通於該注水流道，該汲水流道連通於該集水井，該氣流通道連通於該間隙及該尾流腔之間、該尾流出口連通於該尾流腔；其中，該氣膠流入口是供導入一含有多個微粒的氣膠流，該蒸汽流入口是供導入一水蒸汽流，該混合腔是供所述氣膠流及所述水蒸汽流混合成一混合氣膠流，該成長腔是供過飽和的水蒸汽凝結於所述微粒表面而增加所述微粒的粒徑，該噴嘴板是供增加混合氣膠流噴向該間隙的流速，該微粒衝擊面是供收集因慣性衝擊該微粒衝擊面的所述微粒，該注水口是供注水於該微粒衝擊面而收集該微粒衝擊面上的所述微粒，並加以洗除，該集水井是供收集該注水口向該微粒衝擊面注出的水，該氣流通道是供微粒分離後的混合氣膠流的尾流流向該尾流腔。

通過上述設計，氣膠流中的微粒會在微粒凝結成長器中凝結成長為較大的粒徑，而後在濕式多噴嘴慣性衝擊器中被注水式衝擊板收集，從而實現了低壓損、低處理成本及高收集效率等效果。

請參考第1至3圖，所繪示者為本發明微粒凝結成長結合慣性衝擊設計的PM2.5控制設備（以下簡稱微粒控制設備）的其中一實施例，其包括一微粒凝結成長器1及一濕式多噴嘴慣性衝擊器2。該微粒控制設備可用於去除氣體中的微粒，例如可用於處理半導體製程中所產生的廢氣，其中可能含有但不限於二氧化矽等微粒，這些微粒的粒徑可能介於0.1-1 µm，為白煙排放的主要來源。

微粒凝結成長器1包括一氣膠流入口11、一蒸汽流入口12、一混合腔13、一成長腔14及一混合氣膠流出口15。氣膠流入口11連通於混合腔13並位於混合腔13的上游，供導入一含有微粒的氣膠流（Aerosol stream）。蒸汽流入口12是形成於蒸汽流導管121的末端，蒸汽流導管121的入口端具有較大的內徑，例如5 mm，末端則具有較小的內徑，例如1 mm，從而使得所導入的水蒸汽流可以較高的流速被噴入混合腔13並形成紊流（turbulent flow），呈紊流的水蒸汽流可與氣膠流以更好的混合效率在混合腔13內混合成一混合氣膠流；被導入混合腔13的氣膠流在混合腔13的流向與水蒸汽流被噴入的方向相同，但也可設計成相反方向以增加氣膠流與水蒸汽流的混合效果；其中，所導入的氣膠流例如為常溫，水蒸汽流的溫度例如為100℃，兩者相混後，混合氣膠流的溫度將會下降，從而使得混合氣膠流處於過飽和的狀態。

成長腔14位於混合腔13的下游，混合氣膠流中過飽和的水蒸汽可在成長腔14內凝結於微粒表面而增加微粒的粒徑，混合氣膠流在成長腔14中實質上在一軸向L上流動；設置時，本實施例的微粒控制設備可被傾斜設置，例如與水平面之間具有25∘的夾角，並且成長腔14的下游側高於其上游測，如此一來，凝結於成長腔14腔壁141上的水不會流向下游的濕式多噴嘴衝擊器2，且至少部分凝結於成長腔14腔壁141上的水可從腔壁141上的凝結水排出口142排出，其中，該腔壁141界定了成長腔14，凝結水排出口142則位於腔壁141中重力位能最低的一側，例如位於微粒控制設備傾斜後靠近地面的一側的底部。混合氣膠流出口15連通於成長腔14並位於成長腔14的下游。

濕式多噴嘴慣性衝擊器2包括一混合氣膠流入口21、一預備腔22、一噴嘴板23、一注水式衝擊板25、噴嘴板與注水式衝擊板之間的一間隙（gap）24、一尾流腔26及一尾流出口27。混合氣膠流入口21連通於混合氣膠流出口15及預備腔22並位於預備腔22的上游，混合氣膠流入口21與混合氣膠流出口15之間可設有轉接環/轉接管而將兩者加以連接。噴嘴板23設於注水式衝擊板25並位於預備腔22與間隙24之間，間隙24的高度為噴嘴板23與注水式衝擊板25之間的距離（或稱噴流至衝擊板的距離，jet-to-plate distance），通常很小只為噴嘴直徑的一半到數倍（例如2倍）之間，且噴嘴板23具有多個噴孔231，噴孔231的孔徑越小，混合氣膠流經由噴嘴噴向間隙24的氣膠流速將被加速得越快，可以增加微粒的慣性使注水式衝擊板25可收集到較小的微粒（或截取氣動直徑較小），但易導致氣流的壓損提高；相反地，噴孔231的孔徑越大，混合氣膠流24經由噴嘴噴向間隙24的流速越小，微粒慣性較小，注水式衝擊板25只能收集到較大的微粒，但壓損較低。

注水式衝擊板25具有一微粒衝擊面251、一形成於微粒衝擊面251的注水口252、一注水流道253、一局部環繞微粒衝擊面251的集水井254、一局部環繞集水井254的氣流通道255及一汲水流道256。微粒衝擊面251是供收集因慣性衝擊微粒衝擊面251的微粒，微粒衝擊面251上可放置材質可為但不限於玻璃纖維的濾紙。注水流道253連通於注水口252，讓注水口252可供注水於微粒衝擊面251而收集微粒衝擊面251的微粒，並加以洗除，在可能的實施方式中，微粒衝擊面251上可設置濾紙（未繪示），濾紙的設置可以使注水不易被高速氣流吹飛，增加微粒收集的效率。集水井254是供收集微粒衝擊面251上的注水，所收集的注水可自汲水流道256排出；其中，注水式衝擊板25更具有一界定集水井254外輪廓的井壁257，井壁257具有一與微粒衝擊面251等高的頂面2571，藉此避免或至少大幅減少混合氣膠流中的水蒸汽凝結於井壁257內緣的情形。氣流通道255連通於衝擊腔24及尾流腔26之間，可供微粒分離後的混合氣膠流的尾流流向尾流腔26，尾流出口27則連通於尾流腔26，讓所述尾流能夠離開濕式多噴嘴慣性衝擊器2。

為了便於調整濕式多噴嘴慣性衝擊器2的截取氣動直徑，濕式多噴嘴慣性衝擊器2更可包括至少一高度調整墊片28設於噴嘴板23與注水式衝擊板25之間，用以調整噴孔231至微粒衝擊面251的間隙24的高度(或稱噴流至衝擊板的距離，jet-to-plate distance），所述高度調整墊片28例如可為厚度介於0.25-0.8 mm的聚四氟乙烯墊片及/或厚度約0.1 mm的金屬片，當所述間隙24的高度藉由設置高度調整墊片而調整時，濕式多噴嘴慣性衝擊器2的截取氣動直徑即可被調整，通常此高度越小，截取氣動直徑越小，但間隙24的高度應維持在噴嘴的直徑的一半以上，否則會顯著提高氣流壓損。

在一項微粒收集效率測試中，含有粒徑介於20-980 nm（眾數直徑mode diameter為126.3 nm）的氯化鈉微粒的常溫氣膠流被導入前述實施例的氣膠流入口，另有100 ℃的蒸汽流被導入蒸汽流入口與常溫氣膠流混合，在蒸汽流和氣膠流的質量流率混合比為0.1及0.12（蒸汽流：氣膠流）時分別進行二種情況的測試，濕式多噴嘴慣性衝擊器的氣動截取直徑（D _pa50）設定為1 µm，其中噴孔的直徑為0.72 mm，噴孔至微粒衝擊面的距離為0.72 mm（jet-to-plate distance, 此時S/W＝1），測試後的結果如下表一、表二所示。

表一

混合比	數量濃度收集效率（％）	重量濃度收集效率（％）
0.1	98.42	99.99
0.12	97.12	99.97

表二

微粒粒徑（nm）	數量濃度收集效率（％）
混合比＝0.1	混合比＝0.12
47	97.70	97.60
103.7	97.47	96.70
148.6	99.30	97.40
245.8	99.60	97.50
406.8	99.30	97.60
504.8	99.80	98.00
626.4	99.70	96.90
964.7	100.00	97.20

從表一的測試結果可見，當蒸汽流與氣膠流的質量混合比介於0.1-0.12時，可預期微粒收集的效率可達97％以上（數量濃度收集效率）及將近100％（重量濃度收集效率）。此外，進一步分析不同微粒粒徑的數量濃度收集效率，也可以發現氣膠流中的次微米(小於1微米或1000 nm)微粒的效率均高於96.9%以上，當微粒小至47 nm時仍有超過97％的收集效率，由此可證，本發明所提供的微粒控制設備中，即便濕式多噴嘴慣性衝擊器的氣動截取直徑高達1 µm，但與微粒凝結成長器合併使用後，對於次微米的小微粒(粒徑在47 nm以上)的收集效率很高，微粒的控制性能十分優異。除此之外，由於濕式多噴嘴慣性衝擊器氣動截取直徑為微米級，噴孔孔徑大，因此當混合比例為0.1時，微粒控制設備可以收集到次微米的微粒，且工作壓損僅為2840 Pa，為相當低的工作壓損，並有效的減少抽氣幫浦的耗電量，而這進一步衍生了另一項優點在於：本發明的微粒處理成本極低，費用分析如下表三所示。

表三

計算項目	30 L/min	500 L/min	10000 L/min	單位
費用試算
每瓩電費	4.20	4.20	4.20	新台幣/瓩
＊來源：臺灣電力公司
每公秉水費	9.45	9.45	9.45	新台幣/m 3
＊來源：臺灣自來水公司
幫浦電費	0.19	3.10	61.94	新台幣
加熱器電費	15.24	253.99	5079.77	新台幣
水費	0.06	0.81	16.01	新台幣
每日費用	15.49	257.9	5157.72	新台幣
每升廢氣 處理費	0.00036	0.00036	0.00036	新台幣

從表三的費用試算可見，由於本發明不需要通過高壓損、以較低的混合比例即可取得優異的微粒去除效率，並且用水量少，幫浦電費及水費極低，處理費用的大宗來源為產生水蒸汽所需的加熱器電費，但即便如此，每公升廢氣的處理費仍僅為新台幣0.00036元，為相當便宜的處理成本。如果能利用廠內的多餘蒸汽，或通過回收製程廢熱或利用再生能源降低加熱器的電費，則處理成本還可進一步降低。

在另一項利用第1至3圖所示實施例進行的負載測試中，四個測試組被依下表四所示的條件進行測試，氣膠流中含有多徑（polydisperse）二氧化鈦微粒，其中二氧化鈦微粒被導入微粒控制設備的流量為1.22 mg/min，測試組一、二分別進行25分鐘的負載測試，測試組三、四分別進行45分鐘的負載測試，各測試組其餘測試條件彼此相同。經過測試後，比較測試前後的微粒控制設備壓損，結果顯示於表五，測試組三、四的微粒收集效率則另顯示於表六。

表四

	測試組一	測試組二	測試組三	測試組四
水蒸汽流是否被注入混合腔	否	否	是	是
注水口流量（ml/min）	0	1.5	0	1.5

表五

	測試組一	測試組二	測試組三	測試組四
測試前後壓損提升率（％）	43	17	7.5	2.9

表六

測試經過時間（min）	重量濃度收集效率（％）
測試組三	測試組四
5	99.82	99.13
10	99.93	99.93
15	99.66	99.87
20	99.40	99.97
25	99.93	99.86
35	99.87	99.91
45	99.97	99.98

根據測試結果，發現測試組一的負載測試表現不佳，測試後在微粒衝擊面正對噴孔處觀察到多個峰狀微粒堆積，並且，在噴孔周圍觀察到線狀微粒堆積。從表五的測試結果可見，只要微粒控制設備內有被導入水蒸汽流，無論注水口是否注水，測試前後的壓損提升率都能被大幅降低；例如，測試組二即便注水口沒有被注水，但經過25分鐘負載測試後，壓損就提升了17％；相對地，測試組三經過45分鐘負載測試後，壓損卻只提升了7.5％，發明人發現這是因為水蒸汽會凝結於微粒表面，衝擊微粒衝擊面之後，所凝結的水就能起到將微粒帶離微粒衝擊面的效果，使得注水口沒有注水的情況下，微粒在微粒衝擊面累積的情況並不明顯，從而不會使壓損顯著提高，並且能維持與測試組四相近的微粒去除效率。另一方面，與測試組三相較，測試組四表現了更好的長效性，其經過45分鐘負載測試後，壓損僅僅提升了2.9％，壓損隨時間提高的情形並不明顯，幾可忽略，並且，測試後完全沒有在微粒衝擊面及噴孔周圍觀察到微粒積累，而這顯然克服了本技術領域的技術偏見在於，過往認為微粒凝結成長技術不適合與慣性衝擊技術併用，因為微粒凝結成長後，將更容易地造成噴孔堵塞的問題。然而，通過實驗證明，將微粒凝結成長技術與慣性衝擊技術併用後，只要能有效地將微粒衝擊面上的水及微粒移除，就不會產生微粒積累、噴孔堵塞等現象。

請參考第4圖，所繪示者為本發明微粒控制設備的其中一實施例，其與前述實施例的差異主要在於，微粒衝擊面251表面形成有更多的注水口252，從而使注水、沖洗的效果更為均勻，適用於工作流量大的使用場合。

綜合上述，氣膠流中的微粒會在微粒凝結成長器中凝結成長為較大的粒徑，而後在具有較大截取氣動直徑的濕式多噴嘴慣性衝擊器中被注水式衝擊板收集並加以洗除，從而實現了低壓損、低處理成本及高收集效率等效果，為相當優異的微粒控制設備。

1:微粒凝結成長器 11:氣膠流入口 12:蒸汽流入口 121:蒸汽流導管 13:混合腔 14:成長腔 141:腔壁 142:凝結水排出口 15:混合氣膠流出口 2:濕式多噴嘴慣性衝擊器 21:混合氣膠流入口 22:預備腔 23:噴嘴板 231:噴孔 24:間隙 25:注水式衝擊板 251:微粒衝擊面 252:注水口 253:注水流道 254:集水井 255:氣流通道 256:汲水流道 257:井壁 2571:頂面 26:尾流腔 27:尾流出口 28:高度調整墊片 L:軸向

第1圖為本發明其中一實施例的縱剖面示意圖。

第2圖為本發明其中一實施例的濕式多噴嘴慣性衝擊器分解圖。

第3圖為本發明其中一實施例的濕式多噴嘴慣性衝擊器的注水式衝擊板的俯視示意圖。

第4圖為本發明另一實施例的濕式多噴嘴慣性衝擊器的注水式衝擊板的俯視示意圖。

1:微粒凝結成長器

11:氣膠流入口

12:蒸汽流入口

121:蒸汽流導管

13:混合腔

14:成長腔

141:腔壁

142:凝結水排出口

15:混合氣膠流出口

2:濕式多噴嘴慣性衝擊器

21:混合氣膠流入口

22:預備腔

23:噴嘴板

231:噴孔

24:間隙

25:注水式衝擊板

251:微粒衝擊面

252:注水口

253:注水流道

254:集水井

255:氣流通道

256:汲水流道

257:井壁

2571:頂面

26:尾流腔

27:尾流出口

28:高度調整墊片

L:軸向

Claims (6)

1. 一種結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的PM2.5控制設備，包括： 一微粒凝結成長器，包括一氣膠流入口、一蒸汽流入口、一混合腔、一成長腔及一混合氣膠流出口，該氣膠流入口連通於該混合腔並位於該混合腔的上游，該蒸汽流入口位於該混合腔內，該成長腔位於該混合腔的下游，該混合氣膠流出口連通於該成長腔並位於該成長腔的下游；以及 一濕式多噴嘴慣性衝擊器，包括一混合氣膠流入口、一預備腔、一噴嘴板、一注水式衝擊板、一介於該噴嘴板與該注水式衝擊板之間的間隙、一尾流腔及一尾流出口，該混合氣膠流入口連通於該混合氣膠流出口及該預備腔並位於該預備腔的上游，該噴嘴板設於該注水式衝擊板並位於該預備腔與該注水式衝擊板之間，且該噴嘴板具有多個連通於該預備腔與該衝擊腔之間的噴孔，該注水式衝擊板具有一微粒衝擊面、至少一形成於該微粒衝擊面的注水口、一注水流道、一局部環繞該微粒衝擊面的集水井、一局部環繞該集水井的氣流通道及一汲水流道，該注水流道連通於該注水流道，該汲水流道連通於該集水井，該衝擊腔界定於該衝擊板及該微粒衝擊面之間，該氣流通道連通於該衝擊腔及該尾流腔之間、該尾流出口連通於該尾流腔； 其中，該氣膠流入口是供導入一含有多個微粒的氣膠流，該蒸汽流入口是供導入一水蒸汽流，該混合腔是供所述氣膠流及所述水蒸汽流混合成一混合氣膠流，該成長腔是供過飽和的水蒸汽凝結於所述微粒表面而增加所述微粒的粒徑，該噴嘴板是供增加混合氣膠流噴向該衝擊腔的流速，該微粒衝擊面是供收集因慣性衝擊該微粒衝擊面的所述微粒，該注水口是供注水於該微粒衝擊面而收集該微粒衝擊面上的所述微粒並加以洗除，該集水井是供收集該注水口向該微粒衝擊面注出的水，該氣流通道是供微粒分離後的混合氣膠流的尾流流向該尾流腔。
2. 如請求項1所述之結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的PM2.5控制設備，其中該注水式衝擊板更具有一界定該集水井外輪廓的井壁，該井壁具有一與該微粒衝擊面等高的頂面。
3. 如請求項1所述之結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的PM2.5控制設備，其中該濕式多噴嘴慣性衝擊器更包括至少一高度調整墊片設於該噴嘴板與該注水式衝擊板之間，用以調整該間隙的高度。
4. 如請求項1所述之結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的PM2.5控制設備，其中該微粒凝結成長器更包括一界定該成長腔的腔壁，該腔壁上具有一凝結水排出口。
5. 如請求項4所述之結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的PM2.5控制設備，其中該成長腔更供所述混合氣膠流實質上在一軸向上流動，該成長腔的軸向非垂直於水平面，該凝結水排出口位於該腔壁中重力位能最低的一側。
6. 如請求項1所述之結合微粒凝結成長及慣性衝擊技術的PM2.5控制設備，其中該蒸汽流入口導入所述水蒸汽流的流向是與所述氣膠流在該混合腔的流向相同，且該蒸汽流入口是供所述水蒸汽流以紊流的型態導入該混合腔。

Images