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    浅谈空气洁净技术解决方案
    2011-10-31 22:52:59
     
    前言
          国内外的洁净技术的发展都是随着科学技术的发展、工业产品的日新月异,特别是军事工业、航天、电子和生物医药等工业的发展而不断发展。现代工业产品和现代化科学实验活动要求微型化、精密化、高纯度、高质量和高可靠性。微型化的产品如电子计算机,从当初的要在数间房间内培植数台设备组合发展到现在的笔记本电脑,它所使用的电子元器件从电子管到半导体分离器件到集成电路再到超大规模集成电路,仅集成电路的线宽已从几微米发展到现今的0.1 左右。以集成电路的微型化为例,它对空气中受控粒子粒径从0.3—0.5 甚至更小,可见各类工业产品的微型化正在不断对洁净技术提出更严格的要求。高纯度的产品,如生产集成电路所需单晶硅材料,生产光纤所需四氧化硅材料等已由过去的所谓高纯进入“电子纯”、“超纯”,只有达到如此高的纯度才能达到现代集成电路、电子元器件、光纤产品所需的技术特性。要生产如此高纯度的产品,就必须达到相应的受控生产环境的空气洁净度等级和具有相应高纯度的与产品直接接触的超纯水、超纯气体、超纯试剂等。对于现今以“微型电脑”为手段的电子信息时代,产品的高质量、高可靠性的重要意义是不言而喻的。基于这种趋势,洁净技术的发展已成为现代工业生产和科学实验活动不可缺少的重要标志之一。
          洁净室设计(包括洁净空调设计)是洁净技术的重要组成部分。洁净厂房内的压力、温/湿度、空气流速以及空气洁净度等等因素控制的好坏直接影响到生产质量是否达标。
     
    一、洁净室污染控制技术方案
          空气净化的主要任务是根据各种产品生产工艺、不同工序、各类房间的空气洁净度等级需要,采取空气过滤技术措施将洁净室内空气中悬浮的粒状或化学分子污染物质降低到允许的浓度下。洁净室内的污染源主要来自四个方面:1、大气中含尘、含菌、净化空调系统中新风带入的尘粒和微生物;2、作业人员发尘;3、建筑围护结构、设施的产尘,这里包括墙、顶棚、地面和一些裸露管线的产尘;4、设备及产品生产过程的产尘。
          为保证产品环境或其他用途的洁净室所要求的空气洁净度,要采取多种综合技术措施才能达到要求。这些综合措施包括:应采用产生污染物少的生产工艺及设备,或采取必要的隔离和负压措施防止生产工艺产生的污染物质向周围扩散,采用产尘少、不易滋生微生物似的室内装修材料及工器具;减少人员及物料带入室内的污染物质;维持生产环境相对于室外或空气洁净度等级要求低的邻室有一定的正压,防止室外或邻室的空气携带污染物质通过门窗过其他缝隙、孔洞侵入;加强洁净室的管理,按规定进行清扫、灭菌等。
          除采取上述种种技术措施之外,为使生产环境或其他用途的洁净室室内环境控制在所要求的空气洁净度等级,重要的技术措施是需要送入足够量的经过处理的清洁空气,以替换或稀释室内在正常工作时所产生的污染物质污染后的空气。洁净室的空气净化处理就是根据房间不同的洁净度等级要求,采取不同方式送入经过处理的数量不等的清洁空气,同时排走相应数量的携带有在室内所产生的污染物质玷污的脏空气,靠这样的动态平衡,使室内环境维持在所需的空气洁净度等级。
          目前洁净室对送入空气的洁净方法,最重要和使用最广泛的方式是空气过滤法。送入洁净室的清洁空气,主要是靠送风系统的各个部位设置不同性能的空气过滤器,用以除去空气中的悬浮粒子和微生物。
          下面将对洁净室污染控制领域中比较新颖的技术方案进行介绍:
          (1)用传统的喷水室湿法处理空气来处理新风中的化学物质。近几年来日本开展了很多研究证明了其有效性。日本三机工业公司利用纯水及自来水对 气体的喷水处理进行了比较研究,认为自来水比纯水的净化率更高,这是由于水中 离子等的影响。
          (2)有杀菌作用的HEPA过滤器(杀菌酵素过滤嚣)。过去采用金属离子的毒性来杀菌,如银型阳高于交换纤维制成的空气过滤器(IEE—Ag),现今可采用从生物体中提取的天然酵素(固定在纤维纸上,达到分子级的结合水平)将细菌的细胞壁溶解以达到杀菌的目的,是一种安全的灭菌措施,它防止了过滤器上微生物增殖所产生的二次污染。
          (3)UV光电子空气净化方法。这种方法不同于普通的静电过滤器,该方法利用将紫外线照射在金属膜层上产生光电效应,在空气中产生电子和负离子使流经的污染物质荷电并被集尘极捕集(图1所示)。目前在有限的小空间范围内已有应用。
     

     
     
     图1 光电子捕集器原理图
     
          (4)除海盐粒子过滤器海盐粒子的粒径范围为1-lO ,中位粒径约为3-4 。沿海岸地区空气中含盐量平均达1 左右(一般地区低于该值),台风等强风作用下可达100 。这种状况对微电子工厂极为不利。现在有两种措施:1)所采用的滤材即使在大量盐分附着后不容易析出;2)在空调箱进入段处先设喷水段及档水板,可先捕集90%的海盐粒子,再经普通的空气过滤器清除未被捕集的粒子。喷雾用水应直接排放出,不予回收。对于临海设置的微电子工厂在空调净化装置中应予考虑。
          (5)智能型空气离子净化系统近几年来欧洲开发了一种智能化净化系统,如瑞土LK公司的IONAIR离子空气智能化净化系统,它利用离子发生工作单元的高压电离原理,释放出稳定的正负电氧离子族,带电氧离子与VOC物质发生反应,将其分解成 和 ,同时带电氧离子包裹并杀灭细菌,以达到去除臭味净化空气的目的,在这过程中,会产生少量 。为保证室内空气质量处于最佳状态,该系统还配有智能化控制系统,通过送风管上的风速、湿度和 传感器及回风管和新风管中的空气品质传感器并能将检测数据传到电离控制器,以控制离子发生单元的工作强度,自动控制室内的空气品质,同时这些数据通过传送器和网络,可以进行远程监控
          (6)新型空气吹淋室。传统的吹淋室对人体吹淋停止后,小室内的含尘空气有可能被带入车间,新改进的吹琳室,具有快速自净的功能,当停止吹淋气流后,可部分转换成顶部垂直气流,这样可使小室内空气含尘量很快降低,达到自净效果。
          (7)超薄型自净装置。日本Airtech公司新近开发了一种超薄型自净器,厚度仅70mm,做成屏障式,可移动,出风口面积为830x570mm,可配置各种等级的过滤器以及多种工作模式。
     
    二、洁净技术领域的研究方案
          洁净技术作为一门实验学科,在其发展过程中也大量的实践了各种研究方法,并在这些年取得了不小的发展和进步。
          下面就将介绍几种在洁净研究领域运用的研究方案:
          (1)解耦原理是一种重要的实验理论方法,往往通过解耦原理能把原本较复杂或者是“混沌”的物理现象转化为若干个简单的物理现象集合,能够使实验者更为清楚地看清现象的本质,使得实验或分析过程大大简化,并最终得到解决,因此解耦原理成为实验科学研究和实践的重要理论方法。
          在理论方面1978年中国建筑科学研究院许钟麟研究员首次在传统的洁净室内全室微粒均匀分布理论的基础上,通过分析影响洁净室含尘浓度不均匀分布的各种因素,把洁净室的含尘浓度分布进行了解耦,解耦成了3个分布区域(即送风口下方的主流区,回风口区域的回风口区,其余的区域为涡流区),见图2。
     

     
     
    图2   三区不均匀分布模型
     
          传统的洁净空间控制污染的机理,主要是通过布置在送风末端的高效过滤器将洁净气流送入。由于过滤器很难避免在制作、运输和安装过程中,总不断地有机会造成过滤器的滤材、滤器及安装结合面的渗漏,高效过滤器的渗漏是不可避免的,所以仅靠密封堵漏不能有效解决渗漏问题。单向流洁净室的满布高效过滤器的送风天花不仅仅起到了过滤的作用,而且还起均流作用和防漏作用,因此末端高效过滤器把防漏、过滤与分布气流的三个作用耦合于一体,大大提高了对末端过滤器的要求。在这样的背景下,利用阻漏层理论,把末端高效过滤器的过滤、均流和防漏的三个功能解耦,已经成为洁净室发展的一项新的技术措施。
          (2)有条件的,通过计算流体力学(CFD)结合粒子分布轨迹进行气流组织数值模拟,可以较好解决合理的设备布置与在最低的气流速度下,不产生涡流避免污染物的再卷入,但此方法的应用,目前尚有一定难度,尚不易普及。
     
    三、洁净室的节能技术方案
          洁净室是能量消耗大户,这是因为要保持洁净的生产环境所必需的空气洁净等级、压差、温度、相对湿度要求;防止污染的交叉污染,洁净室内应根据产品的生产过程的要求排除生产过程中产生的粉尘、热量、有机溶剂等所需的全室或局部排风装置,与此同时需向洁净室内送入相应的或必需的室外新鲜空气;根据不同的空气洁净度等级的要求需要有必须的换气次数/送风量。据调查统计大规模集成电路制造工厂洁净厂房的净化空调系统及其制冷机的耗电量约占工厂总耗电量的50%左右。图3是美国某公司的一个半导体芯片工厂中各种设备电能消耗的比例。
     

     
      图3  一个半导体芯片工厂的电能消耗比例
     
          如上所述,洁净厂房的耗能量是很大的,若洁净室精心设计,周密规划,节约能源、降低能量消耗也是可能的,节能的潜在容量不小。
          针对洁净室、净化空调系统的运行节能问题,可以有以下几个解决方案:
          1、洁净厂房内的工艺平面布置
    尽可能采用洁净小室、洁净工作台、层流罩、洁净隧道、微环境等方式,降低高级别洁净室面积,是减少能量消耗、节约能源的可行措施。国外的论文报导:与传统生产环境相比微环境洁净厂房的投资可节省40%;单单空气输送的费用可节省70%。
          2、在进行建筑平面、立面设计时,应努力贯彻节能要求
          洁净厂房的门窗设计的恰当与否,是降低洁净厂房建筑能耗的重要课题,这里首先是控制好窗墙比,按洁净室的特点尽量减少外墙上的窗面积;其次是门窗构造的气密性要求和材料选择优质可靠,以确保门窗的保温(冷)效果和减少冷风渗透,防止“冷桥”现象的发生。
          3、降低洁净室的热(冷)负荷的技术措施
          (1)根据产品生产工艺要求,确定合适的洁净室内空气洁净等级和温度、相对湿度参数,在满足生产工艺的前提下,从节约能源的角度出发,按不同工序/房间的不同要求确定空气洁净度等级、温度、相对湿度参数,可能就低时尽可能采用较低的取值。
          (2)在产品生产工艺提供者的密切配合下,准确地确定洁净室需设排风装置的房间的或工序或生产设备的排风量,这是由于洁净室内排风量的增加,即意味着净化空调系统的补充新风量增加。在接厂房设计中有时会出现由于排风量的增加使净化空调系统的新风量大于规定的新鲜空气需用量,从而使设计的热(冷)负荷增加,因此,准确的确定洁净室内排风量是降低能量消耗的重要技术措施之一。
          4、减少净化空调系统的送风量和降低系统阻力的技术措施
          (1)按生产工艺要求的不同空气洁净度等级和不同的工作时间、班次合理划分净化空调系统。但在制订方案时应认真考虑减少管线长度,降低风管阻力所必需采取的技术措施,做到既降低用电量又不能增加较多的建造费用。
          (2)合理组织净化空调系统中各种空气过滤器的设置,对较大型的洁净厂房的净化空调系统的新风集中大小控制送风量等。
          (3)净化空调系统设计应合理利用回风。在产品生产过程不产生有害物或不发生交叉污染时,净化空调系统在保证新鲜空气量和保持洁净室规定的压差值的条件下,为了减少能量消耗,应尽量利用回风。对于换气次数大的单向流洁净室,当空调机房距单向流洁净室较远时,可以采用一部分空气不回机房而直接循环使用,可使能量消耗降低。
          5、合理进行净化空调系统的风管设计
    风管布置时应尽量缩短风管长度,减少不必要弯管、附件的设置,简化风管形状,努力降低风管系统的阻力,以减少能量消耗。
          6、采用变流量控制风量、水量
          (1)根据检测得到的洁净室内的尘粒数量,或房间压力值控制调节送风量。采用技术措施,有效的控制不工作的生产工序或房间的低送风量。
          (2)根据生产过程的特点,设置检测、控制房间或设备的排风装置,按需要控制排风量或开停排风机或排风阀。避免房间或设备不生产时仍开启排风机或排风阀,消耗电能和增加不必要的送风量。
          (3)风机、水泵合理的采用变频机组,根据送风量、供水量的多少,改变风机、水泵的转速,降低电能消耗。
          (4)净化空调系统的空调机组采用冷水量、热水量或蒸汽量的变频控制。
     
    四、结语
          本文涉及了空气洁净技术中的污染控制方案、研究方案以及节能方案三方面的内容。我国空气洁净技术发展自60年代开始以来,目前已具各了相当的实力,在某些理论研究和应用方面已达到了国际先进水平,但从空气洁净技术的起步时间和相关技术规范制定时间上看、从洁净技术应用领域的普及程度上看、从洁净技术总体发展水平而言,我国同世界上工业发达国家相比仍有不少差距。可见我国的洁净技术发展之路任重而道远。

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