电子洁净厂房烟气在线监测系统的设计及原理分析

电子洁净厂房烟气在线监测系统的设计及原理分析

作者姓名：叶啸

单位名称：中国电子系统工程第二建设有限公司

单位省市: 江苏省无锡市

单位邮编：214000

摘  要：随着电子半导体行业的快速发展，对洁净厂房内烟气排放的监测和控制要求也日益提高。本文介绍了国家规范和环保机构对于电子半导体行业烟气在线监测的相关要求。引用了烟气在线分析仪在行业中的应用案例，提出了烟气在线监测系统在设计及施工过程中的注意事项。并通过介绍非甲烷总烃（NMHC）分析仪的测量原理及基本组成，阐述了在电子洁净厂房设置烟气在线分析仪的意义所在。最后，对于未来烟气在线监测系统的发展趋势进行了展望。

关键词：非甲烷总烃（NMHC），气相色谱（GC）,火焰离子化检测器(FID)、连续排放监测系统（CEMS）

0引言

近年来，电子半导体行业对烟气排放的监测和控制要求越来越严格。随着环境保护意识的增强以及国家和地区对污染物排放规范要求的提高，传统的间歇监测方式已经不能满足实时性和连续性的需求。为了保障环境质量和人员安全，电子洁净厂房烟气在线监测系统成为了行业发展的重点研究方向。

国家规范和环保机构对电子半导体行业烟气在线监测的要求提出了明确的指导。通过设置烟气在线监测系统，企业能够及时了解烟气排放的情况，减少对周围环境的污染，并确保生产过程的安全性。此外，烟气在线分析仪作为监测系统中的核心部件，通过精确测量和分析烟气中的污染物，能够为企业提供有价值的数据，以支持环境管理和持续改进的决策。

然而，在设计和实施过程中仍面临一些技术挑战和工程难题，如分析小屋的规划和设备布置、气体的采集和处理、监测系统的可靠性与稳定性等方面。此外，非甲烷总烃（NMHC）等污染物的特性对于监测系统的选择和优化也产生了重要影响。

基于以上背景和需求，本论文旨在探讨电子洁净厂房烟气在线监测系统的设计及原理分析。通过深入研究烟气在线监测相关的技术、方法和案例，以及明确的规范要求。本研究的目标是提高电子洁净厂房烟气监测的准确性和效率，推动半导体行业朝着更加环保和可持续发展的方向迈进。

1国家规范及环保要求

国家规范和标准针对电子半导体行业烟气排放进行了详细的监管要求。例如，根据DB31-374-2016《上海市半导体行业污染物排放标准》，制定了不同类型污染物的排放浓度限值要求，以及在线监测系统的布设、设备校准和数据质量控制等方面的要求。

此外，国家还颁布了GB 37822-2019《挥发性有机物无组织排放控制标准》，对挥发性有机物无组织排放总量进行了限制要求，并规定了在线监测系统的技术要求和数据报告要求。

针对固定污染源烟气排放监测，国家环保机构颁布了HJ75-2017《固定污染源烟气（SO2、NOX、颗粒物）排放连续监测技术规范》，其中规定了连续监测系统的技术要求以及设备维护和数据管理等方面的要求。

对于非甲烷烃类污染物，在线监测技术也受到HJ1013-2018《固定源非甲烷在线系统技术要求》的规范，涵盖了传感器选择、数据采集和传输、设备校准和数据分析等方面的要求。

此外，国家还制定了DB 31/933-2015《大气污染物综合排放标准》和GB3095-2012《环境空气质量标准》，用于对空气质量中各种污染物的排放和监测进行限制和评估。

图1.1大气污染物排放限值表[3]

2烟气在线分析仪在洁净厂房的应用

根据笔者多年的电子半导体行业的从业经验，目前行业内常规做法是根据国家标准、地方标准及环保要求下，设置烟气在线分析系统并与环保局联网，系统架构如图2.1，在有机排气烟囱设置非甲烷总烃（NMHC）及氮氧化物在线监测点。至于其他排气系统的烟气在线监测，目前法规并未做明确要求。由于篇幅有限，笔者将以上海某12寸半导体洁净厂房项目为例，着重介绍非甲烷总烃（NMHC）在线分析仪的工作原理。

图2.1烟气在线监测系统架构图

3原理分析

NMHC-CEMS 系统结构主要包括样品采集和传输装置、预处理设备、分析仪器、数据采集和传输设备以及其他辅助设备等。依据系统测量方式和原理的不同，系统可能由上述全部或部分结构组成[5]。

针对非甲烷总烃（NMHC）的在线监测，目前主流的检测原理分为两种，分别为催化氧化-氢火焰离子化法、气相色谱-氢火焰离子化法，两种方法均需满足HJ 1013-2018《固定污染源废气非甲烷总烃连续监测系统技术要求及检测方法》标准，并取得CCEP认证证书。催化氧化法虽然响应时间快，且在大部分工况下其测量数值和色谱法准确性相当，但是考虑到催化法对样气要求较高，其成分可能会导致催化剂中毒，致使测量结果出现较大偏差，所以目前半导体行业主流品牌均采用气相色谱-氢火焰离子化法进行测量。

3.1 工作过程

样品气体藉由泵浦之负压抽取，流经前处理系统如伴热采样管、粉尘过滤、除水等，确保样气之洁净而不会伤害到分析系统后，再送入分析系统的样品回路中，经过一定时间的抽取，分析软件送出讯号后，分析仪的多向电磁阀便会转动，让载流气体将样品气体送入分析色谱柱中，透过色谱柱对样品滞留能力不同的特性，可将侦测目标化合物分离，之后再送入检测器进行分析。

分析完成后，软件收集其讯号并进行数据处理，将图谱量化为分析样气之积分讯号值，经过校正后之检量线换算与后端数据采集系统之温度、压力、流量计算，便可得到污染源之排放量。

数据采集系统收集一段时间浓度变化值后，计算成为分钟、小时、日、月等平均数值报表，再上传送到环保局，即可完成固定污染源之监测与管理。

3.2气相色谱原理分析

色谱法[1]又称“色谱分析”、“色谱分析法”、“层析法”， 是一种对混合组分样品进行自动分离和连续分析的方法。

由于各种物质的蒸汽压、分子尺寸大小、化学结构不同，在色谱柱上的吸附能、溶解度等的不同，而使各种物质在色谱柱上的滞留时间不同。在层析的过程中，流动的气体被称之为流动相(Mobile Phase)，而管柱内的填充物则称之为固定相(Stationary Phase)，当混合气体连续通过色谱柱时，不同样品会与管柱中的固定相产生不同的作用力，进而达到滞留并分离的作用。混合物中的各种组分被分离开来后，按分离顺序依次从色谱柱末端流出，进入检测器。检测器把分离后的各个组分的浓度信号转换成电信号，再用电子仪表或数据处理器就能测量出混合物的组成和浓度[2]。

在常规系统中，一般使用双管柱的配置方式。如图3.1所示，两个完全相同的样品同时分别送入不同的管柱中，其中一根管柱为毛细空管，其管柱内部并无填充任何固定相，因此对样品不产生任何滞留力，样品完全无分离的从管柱离开，测得值即为总碳氢化合物(Total hydrocarbons, THC)；而另一组分析管柱则试监测目的的需求而配置相对应的管柱，在非甲烷总烃的侦测系统中，第二根管柱则配置甲烷分子筛吸附管，此管柱可将除甲烷外之挥发性有机化合物完全吸附，测得甲烷浓度，随后利用 THC 扣除甲烷的浓度值，即可得到非甲烷总烃(non-methane hydrocarbons, NMHC) 之含量；若需要测量多组份时，只需要将甲烷分子筛吸附管换为相对应之分离管柱，即可样品中不同组份分开，让各组份逐一被载流气体带出管柱并进到检测器，测得 THC 与各种 VOCs 的含量。

图3.1气相色谱原理示意图

3.3火焰离子化检测器(FID)介绍

样品气体从样品回路藉由载流气体（高纯度空气）流经色谱柱，再送入火焰离子化侦测器中，与燃料气（高纯度氢气）与助燃气体（高纯度氧气）混和燃烧后产生被离子化，进而碳阳离子与电子，再藉由离子收集器收集其电流讯号并经过电路板放大讯号即可得到分析图谱。

FID 的电离室由金属圆筒作外罩，底座中心有喷嘴；喷嘴附近有环状金属圈(极化极，又称发射极)，上端有一个金属圆简(收集极)。两者间加 90～300V 的直流电压，形成电离电场加速电离的离子。收集极捕集的离子流经放大器的高组产生信号、放大后物送至数据采集系统；燃烧气、辅助气和色谱柱由底座引入；燃烧气及水蒸气由外罩上方小孔逸出。

在一定范围内，微电流的大小与进入离子室的被测组分质量成正比，所以氢焰检测器是质量型检测器。因 FID 是将化合物经过燃烧后产生碳阳离子与电子，故其对大部分有机化合物皆可量测的到，如烷类、烯类、炔类、醇类、酯类、酸类、醛类、酮类等皆可量测。

4系统设计

4.1CEMS监控站规划

上文已提到，通常在半导体洁净室项目中，仅会在有机排气烟囱设置烟气在线分析仪，而在HJ75-2017《固定污染源涸气排放连续监测技术规范》中，对室外CEMS监测站做了具体的要求，如采样距离、荷载、面积尺寸、配套设施等。所以，在系统设计过程中，应提前规划CEMS监控站，满足标准中的各项要求。

据笔者了解，大部分新建电子洁净厂房项目虽已在土建阶段就考虑预留现场监测站，但面积往往不满足规范要求。而已建或改造厂房，受限于空间紧张、报规手续繁琐等因素，往往是在机电安装阶段，才在屋面或钢平台之上现场搭建CEMS监测站。

4.2 设备布置

在笔者参与的某项目中，有机排气（VOC）系统分析机柜一期8台，二期4台，全期总计12台，CEMS监测站规划面积为40m2，满足规范要求。结合业主运维习惯，考虑机柜两排放置，柜前1.4m,柜后1.0m的检修空间，并在入户处预留2.0m宽度用于放置就地监控电脑及服务器，监测站最远端预留1.2m宽度用于放置气瓶等耗材。

4.3外部需求

除此以外，鉴于烟气分析仪的原理及系统结构特点， 满足CEMS监测站的外部条件需求，也是系统设计的一项重点，譬如市电及不间断电源、气源、空调排气、照明、插座、温湿度监测等需求。由于CEMS监测站都是一次建成，不仅要考虑本期设备的使用及维护，还需考虑远期预留设备的使用空间。以上因素都需要在系统设计阶段规划并与各专业划分工作交界面。

5总结

伴随着电子半导体行业的快速发展和全球对可持续发展的重视，可以预见, 国家对烟气在线监测系统的标准将更高更详细。烟气监测产品也将变得更加智能和高效。同时，数据处理和分析技术的发展也将为烟气在线监测提供更多的可能性和应用场景。通过本文的研究与探讨，我们对电子半导体行业烟气在线监测的相关要求和系统设计有了更加深入的了解，希望本文能够为相关行业提供有价值的参考。

参考文献

[1]《石油化工仪表自动化培训教材》编写组. 在线分析仪表（上册）. 北京：中国石化出版社.2009.P78-82

[2] 陆 德 民，张 振 基，黄 步 余. 石油化工自动控制设计手册（第三版）. 北京.化学工业出版社.2000.1 .P111-115

[3] DB 31/374-2006.半导体行业污染物排放标准[S].上海.上海市环境保护局.2007.2 .P4

[4] HJ75-2017.固定污染源烟气排放连续监测技术规范[S]. 北京.中国环境出版社.2018.3.P3-4

[5] HJ1013-2018.固定污染源废气非甲烷总烃连续监测系统技术要求及检测方法[S]. 北京:生态环境部.2019.7 .P2

【作者简介】

叶啸，1989年5月，上海，2012年6月毕业于华东理工大学自动化专业，中级工程师。