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技術(shù)文章
淺談空氣潔凈技術(shù)解決方案
2011-10-31
摘要 本文介紹了目前空氣潔凈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并從潔凈室污染控制、潔凈技術(shù)的研究以及潔凈室節(jié)能三個方面闡述。
前言
國內(nèi)外的潔凈技術(shù)的發(fā)展都是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、工業(yè)產(chǎn)品的日新月異，特別是軍事工業(yè)、航天、電子和生物醫(yī)藥等工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展�，F(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品和現(xiàn)代化科學(xué)實驗活動要求微型化、精密化、高純度、高質(zhì)量和高可靠性。微型化的產(chǎn)品如電子計算機，從當(dāng)初的要在數(shù)間房間內(nèi)培植數(shù)臺設(shè)備組合發(fā)展到現(xiàn)在的筆記本電腦，它所使用的電子元器件從電子管到半導(dǎo)體分離器件到集成電路再到超大規(guī)模集成電路，僅集成電路的線寬已從幾微米發(fā)展到現(xiàn)今的0.1 左右。以集成電路的微型化為例，它對空氣中受控粒子粒徑從0.3—0.5 甚至更小，可見各類工業(yè)產(chǎn)品的微型化正在不斷對潔凈技術(shù)提出更嚴(yán)格的要求。高純度的產(chǎn)品，如生產(chǎn)集成電路所需單晶硅材料，生產(chǎn)光纖所需四氧化硅材料等已由過去的所謂高純進(jìn)入“電子純”、“超純”，只有達(dá)到如此高的純度才能達(dá)到現(xiàn)代集成電路、電子元器件、光纖產(chǎn)品所需的技術(shù)特性。要生產(chǎn)如此高純度的產(chǎn)品，就必須達(dá)到相應(yīng)的受控生產(chǎn)環(huán)境的空氣潔凈度等級和具有相應(yīng)高純度的與產(chǎn)品直接接觸的超純水、超純氣體、超純試劑等。對于現(xiàn)今以“微型電腦”為手段的電子信息時代，產(chǎn)品的高質(zhì)量、高可靠性的重要意義是不言而喻的�；谶@種趨勢，潔凈技術(shù)的發(fā)展已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗活動不可缺少的重要標(biāo)志之一。
潔凈室設(shè)計（包括潔凈空調(diào)設(shè)計）是潔凈技術(shù)的重要組成部分。潔凈廠房內(nèi)的壓力、溫/濕度、空氣流速以及空氣潔凈度等等因素控制的好壞直接影響到生產(chǎn)質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。
一、潔凈室污染控制技術(shù)方案
空氣凈化的主要任務(wù)是根據(jù)各種產(chǎn)品生產(chǎn)工藝、不同工序、各類房間的空氣潔凈度等級需要，采取空氣過濾技術(shù)措施將潔凈室內(nèi)空氣中懸浮的粒狀或化學(xué)分子污染物質(zhì)降低到允許的濃度下。潔凈室內(nèi)的污染源主要來自四個方面：1、大氣中含塵、含菌、凈化空調(diào)系統(tǒng)中新風(fēng)帶入的塵粒和微生物；2、作業(yè)人員發(fā)塵；3、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)施的產(chǎn)塵，這里包括墻、頂棚、地面和一些裸露管線的產(chǎn)塵；4、設(shè)備及產(chǎn)品生產(chǎn)過程的產(chǎn)塵。
為保證產(chǎn)品環(huán)境或其他用途的潔凈室所要求的空氣潔凈度，要采取多種綜合技術(shù)措施才能達(dá)到要求。這些綜合措施包括：應(yīng)采用產(chǎn)生污染物少的生產(chǎn)工藝及設(shè)備，或采取必要的隔離和負(fù)壓措施防止生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的污染物質(zhì)向周圍擴散，采用產(chǎn)塵少、不易滋生微生物似的室內(nèi)裝修材料及工器具；減少人員及物料帶入室內(nèi)的污染物質(zhì)；維持生產(chǎn)環(huán)境相對于室外或空氣潔凈度等級要求低的鄰室有一定的正壓，防止室外或鄰室的空氣攜帶污染物質(zhì)通過門窗過其他縫隙、孔洞侵入；加強潔凈室的管理，按規(guī)定進(jìn)行清掃、滅菌等。
除采取上述種種技術(shù)措施之外，為使生產(chǎn)環(huán)境或其他用途的潔凈室室內(nèi)環(huán)境控制在所要求的空氣潔凈度等級，重要的技術(shù)措施是需要送入足夠量的經(jīng)過處理的清潔空氣，以替換或稀釋室內(nèi)在正常工作時所產(chǎn)生的污染物質(zhì)污染后的空氣。潔凈室的空氣凈化處理就是根據(jù)房間不同的潔凈度等級要求，采取不同方式送入經(jīng)過處理的數(shù)量不等的清潔空氣，同時排走相應(yīng)數(shù)量的攜帶有在室內(nèi)所產(chǎn)生的污染物質(zhì)玷污的臟空氣，靠這樣的動態(tài)平衡，使室內(nèi)環(huán)境維持在所需的空氣潔凈度等級。
目前潔凈室對送入空氣的潔凈方法，*重要和使用*廣泛的方式是空氣過濾法。送入潔凈室的清潔空氣，主要是靠送風(fēng)系統(tǒng)的各個部位設(shè)置不同性能的空氣過濾器，用以除去空氣中的懸浮粒子和微生物。
下面將對潔凈室污染控制領(lǐng)域中比較新穎的技術(shù)方案進(jìn)行介紹：
（1）用傳統(tǒng)的噴水室濕法處理空氣來處理新風(fēng)中的化學(xué)物質(zhì)。近幾年來日本開展了很多研究證明了其有效性。日本三機工業(yè)公司利用純水及自來水對 氣體的噴水處理進(jìn)行了比較研究，認(rèn)為自來水比純水的凈化率更高，這是由于水中 離子等的影響。
（2）有殺菌作用的HEPA過濾器(殺菌酵素過濾囂)。過去采用金屬離子的毒性來殺菌，如銀型陽高于交換纖維制成的空氣過濾器(IEE—Ag)，現(xiàn)今可采用從生物體中提取的天然酵素(固定在纖維紙上，達(dá)到分子級的結(jié)合水平)將細(xì)菌的細(xì)胞壁溶解以達(dá)到殺菌的目的，是一種安全的滅菌措施，它防止了過濾器上微生物增殖所產(chǎn)生的二次污染。
（3）UV光電子空氣凈化方法。這種方法不同于普通的靜電過濾器，該方法利用將紫外線照射在金屬膜層上產(chǎn)生光電效應(yīng)，在空氣中產(chǎn)生電子和負(fù)離子使流經(jīng)的污染物質(zhì)荷電并被集塵極捕集(圖1所示)。目前在有限的小空間范圍內(nèi)已有應(yīng)用。
圖1 光電子捕集器原理圖
（4）除海鹽粒子過濾器海鹽粒子的粒徑范圍為1-lO ，中位粒徑約為3-4 。沿海岸地區(qū)空氣中含鹽量平均達(dá)1 左右(一般地區(qū)低于該值)，臺風(fēng)等強風(fēng)作用下可達(dá)100 。這種狀況對微電子工廠極為不利�，F(xiàn)在有兩種措施：1)所采用的濾材即使在大量鹽分附著后不容易析出；2)在空調(diào)箱進(jìn)入段處先設(shè)噴水段及檔水板，可先捕集90％的海鹽粒子，再經(jīng)普通的空氣過濾器清除未被捕集的粒子。噴霧用水應(yīng)直接排放出，不予回收。對于臨海設(shè)置的微電子工廠在空調(diào)凈化裝置中應(yīng)予考慮。
（5）智能型空氣離子凈化系統(tǒng)近幾年來歐洲開發(fā)了一種智能化凈化系統(tǒng)，如瑞土LK公司的IONAIR離子空氣智能化凈化系統(tǒng)，它利用離子發(fā)生工作單元的高壓電離原理，釋放出穩(wěn)定的正負(fù)電氧離子族，帶電氧離子與VOC物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，將其分解成 和 ，同時帶電氧離子包裹并殺滅細(xì)菌，以達(dá)到去除臭味凈化空氣的目的，在這過程中，會產(chǎn)生少量 。為保證室內(nèi)空氣質(zhì)量處于*佳狀態(tài)，該系統(tǒng)還配有智能化控制系統(tǒng)，通過送風(fēng)管上的風(fēng)速、濕度和 傳感器及回風(fēng)管和新風(fēng)管中的空氣品質(zhì)傳感器并能將檢測數(shù)據(jù)傳到電離控制器，以控制離子發(fā)生單元的工作強度，自動控制室內(nèi)的空氣品質(zhì)，同時這些數(shù)據(jù)通過傳送器和網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控
（6）新型空氣吹淋室。傳統(tǒng)的吹淋室對人體吹淋停止后，小室內(nèi)的含塵空氣有可能被帶入車間，新改進(jìn)的吹琳室，具有快速自凈的功能，當(dāng)停止吹淋氣流后，可部分轉(zhuǎn)換成頂部垂直氣流，這樣可使小室內(nèi)空氣含塵量很快降低，達(dá)到自凈效果。
（7）超薄型自凈裝置。日本Airtech公司新近開發(fā)了一種超薄型自凈器，厚度僅70mm，做成屏障式，可移動，出風(fēng)口面積為830x570mm，可配置各種等級的過濾器以及多種工作模式。
二、潔凈技術(shù)領(lǐng)域的研究方案
潔凈技術(shù)作為一門實驗學(xué)科，在其發(fā)展過程中也大量的實踐了各種研究方法，并在這些年取得了不小的發(fā)展和進(jìn)步。
下面就將介紹幾種在潔凈研究領(lǐng)域運用的研究方案：
（1）解耦原理是一種重要的實驗理論方法，往往通過解耦原理能把原本較復(fù)雜或者是“混沌”的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為若干個簡單的物理現(xiàn)象集合，能夠使實驗者更為清楚地看清現(xiàn)象的本質(zhì)，使得實驗或分析過程大大簡化，并*終得到解決，因此解耦原理成為實驗科學(xué)研究和實踐的重要理論方法。
在理論方面1978年中國建筑科學(xué)研究院許鐘麟研究員首次在傳統(tǒng)的潔凈室內(nèi)全室微粒均勻分布理論的基礎(chǔ)上，通過分析影響潔凈室含塵濃度不均勻分布的各種因素，把潔凈室的含塵濃度分布進(jìn)行了解耦，解耦成了3個分布區(qū)域(即送風(fēng)口下方的主流區(qū)，回風(fēng)口區(qū)域的回風(fēng)口區(qū)，其余的區(qū)域為渦流區(qū))，見圖2。
圖2 三區(qū)不均勻分布模型
傳統(tǒng)的潔凈空間控制污染的機理，主要是通過布置在送風(fēng)末端的高效過濾器將潔凈氣流送入。由于過濾器很難避免在制作、運輸和安裝過程中，總不斷地有機會造成過濾器的濾材、濾器及安裝結(jié)合面的滲漏，高效過濾器的滲漏是不可避免的，所以僅靠密封堵漏不能有效解決滲漏問題。單向流潔凈室的滿布高效過濾器的送風(fēng)天花不僅僅起到了過濾的作用，而且還起均流作用和防漏作用，因此末端高效過濾器把防漏、過濾與分布?xì)饬鞯娜齻�作用耦合于一體，大大提高了對末端過濾器的要求。在這樣的背景下，利用阻漏層理論，把末端高效過濾器的過濾、均流和防漏的三個功能解耦，已經(jīng)成為潔凈室發(fā)展的一項新的技術(shù)措施。
（2）有條件的，通過計算流體力學(xué)（CFD）結(jié)合粒子分布軌跡進(jìn)行氣流組織數(shù)值模擬，可以較好解決合理的設(shè)備布置與在*低的氣流速度下，不產(chǎn)生渦流避免污染物的再卷入，但此方法的應(yīng)用，目前尚有一定難度，尚不易普及。
三、潔凈室的節(jié)能技術(shù)方案
潔凈室是能量消耗大戶，這是因為要保持潔凈的生產(chǎn)環(huán)境所必需的空氣潔凈等級、壓差、溫度、相對濕度要求；防止污染的交叉污染，潔凈室內(nèi)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程的要求排除生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵、熱量、有機溶劑等所需的全室或局部排風(fēng)裝置，與此同時需向潔凈室內(nèi)送入相應(yīng)的或必需的室外新鮮空氣；根據(jù)不同的空氣潔凈度等級的要求需要有必須的換氣次數(shù)/送風(fēng)量。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計大規(guī)模集成電路制造工廠潔凈廠房的凈化空調(diào)系統(tǒng)及其制冷機的耗電量約占工廠總耗電量的50%左右。圖3是美國某公司的一個半導(dǎo)體芯片工廠中各種設(shè)備電能消耗的比例。
圖3 一個半導(dǎo)體芯片工廠的電能消耗比例
如上所述，潔凈廠房的耗能量是很大的，若潔凈室精心設(shè)計，周密規(guī)劃，節(jié)約能源、降低能量消耗也是可能的，節(jié)能的潛在容量不小。
針對潔凈室、凈化空調(diào)系統(tǒng)的運行節(jié)能問題，可以有以下幾個解決方案：
1、潔凈廠房內(nèi)的工藝平面布置
盡可能采用潔凈小室、潔凈工作臺、層流罩、潔凈隧道、微環(huán)境等方式，降低高級別潔凈室面積，是減少能量消耗、節(jié)約能源的可行措施。國外的論文報導(dǎo)：與傳統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)境相比微環(huán)境潔凈廠房的投資可節(jié)省40%；單單空氣輸送的費用可節(jié)省70%。
2、在進(jìn)行建筑平面、立面設(shè)計時，應(yīng)努力貫徹節(jié)能要求
潔凈廠房的門窗設(shè)計的恰當(dāng)與否，是降低潔凈廠房建筑能耗的重要課題，這里首先是控制好窗墻比，按潔凈室的特點盡量減少外墻上的窗面積；其次是門窗構(gòu)造的氣密性要求和材料選擇優(yōu)質(zhì)可靠，以確保門窗的保溫（冷）效果和減少冷風(fēng)滲透，防止“冷橋”現(xiàn)象的發(fā)生。
3、降低潔凈室的熱（冷）負(fù)荷的技術(shù)措施
（1）根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝要求，確定合適的潔凈室內(nèi)空氣潔凈等級和溫度、相對濕度參數(shù)，在滿足生產(chǎn)工藝的前提下，從節(jié)約能源的角度出發(fā)，按不同工序/房間的不同要求確定空氣潔凈度等級、溫度、相對濕度參數(shù)，可能就低時盡可能采用較低的取值。
（2）在產(chǎn)品生產(chǎn)工藝提供者的密切配合下，準(zhǔn)確地確定潔凈室需設(shè)排風(fēng)裝置的房間的或工序或生產(chǎn)設(shè)備的排風(fēng)量，這是由于潔凈室內(nèi)排風(fēng)量的增加，即意味著凈化空調(diào)系統(tǒng)的補充新風(fēng)量增加。在接廠房設(shè)計中有時會出現(xiàn)由于排風(fēng)量的增加使凈化空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量大于規(guī)定的新鮮空氣需用量，從而使設(shè)計的熱（冷）負(fù)荷增加，因此，準(zhǔn)確的確定潔凈室內(nèi)排風(fēng)量是降低能量消耗的重要技術(shù)措施之一。
4、減少凈化空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量和降低系統(tǒng)阻力的技術(shù)措施
（1）按生產(chǎn)工藝要求的不同空氣潔凈度等級和不同的工作時間、班次合理劃分凈化空調(diào)系統(tǒng)。但在制訂方案時應(yīng)認(rèn)真考慮減少管線長度，降低風(fēng)管阻力所必需采取的技術(shù)措施，做到既降低用電量又不能增加較多的建造費用。
（2）合理組織凈化空調(diào)系統(tǒng)中各種空氣過濾器的設(shè)置，對較大型的潔凈廠房的凈化空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)集中大小控制送風(fēng)量等。
（3）凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)合理利用回風(fēng)。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程不產(chǎn)生有害物或不發(fā)生交叉污染時，凈化空調(diào)系統(tǒng)在保證新鮮空氣量和保持潔凈室規(guī)定的壓差值的條件下，為了減少能量消耗，應(yīng)盡量利用回風(fēng)。對于換氣次數(shù)大的單向流潔凈室，當(dāng)空調(diào)機房距單向流潔凈室較遠(yuǎn)時，可以采用一部分空氣不回機房而直接循環(huán)使用，可使能量消耗降低。
5、合理進(jìn)行凈化空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)管設(shè)計
風(fēng)管布置時應(yīng)盡量縮短風(fēng)管長度，減少不必要彎管、附件的設(shè)置，簡化風(fēng)管形狀，努力降低風(fēng)管系統(tǒng)的阻力，以減少能量消耗。
6、采用變流量控制風(fēng)量、水量
（1）根據(jù)檢測得到的潔凈室內(nèi)的塵粒數(shù)量，或房間壓力值控制調(diào)節(jié)送風(fēng)量。采用技術(shù)措施，有效的控制不工作的生產(chǎn)工序或房間的低送風(fēng)量。
（2）根據(jù)生產(chǎn)過程的特點，設(shè)置檢測、控制房間或設(shè)備的排風(fēng)裝置，按需要控制排風(fēng)量或開停排風(fēng)機或排風(fēng)閥。避免房間或設(shè)備不生產(chǎn)時仍開啟排風(fēng)機或排風(fēng)閥，消耗電能和增加不必要的送風(fēng)量。
（3）風(fēng)機、水泵合理的采用變頻機組，根據(jù)送風(fēng)量、供水量的多少，改變風(fēng)機、水泵的轉(zhuǎn)速，降低電能消耗。
（4）凈化空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)機組采用冷水量、熱水量或蒸汽量的變頻控制。
四、結(jié)語
本文涉及了空氣潔凈技術(shù)中的污染控制方案、研究方案以及節(jié)能方案三方面的內(nèi)容。我國空氣潔凈技術(shù)發(fā)展自60年代開始以來，目前已具各了相當(dāng)?shù)膶嵙�，在某些理論研究和�?yīng)用方面已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但從空氣潔凈技術(shù)的起步時間和相關(guān)技術(shù)規(guī)范制定時間上看、從潔凈技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的普及程度上看、從潔凈技術(shù)總體發(fā)展水平而言，我國同世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍有不少差距。可見我國的潔凈技術(shù)發(fā)展之路任重而道遠(yuǎn)。