柔性電路板(FPC)廢氣處理工程實例分析

袁 禮，徐 昕

(1.昆明理工大學 環境科學與工程學院，云南 昆明 650500；2.中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引言

柔性電路板(FPC)是Flexible Printed Circuit的簡稱，又稱軟性線路板和撓性電路板。它是連接用于電子部件的基板和電子產品信號傳輸的介質。具有布線密度高、超薄、超輕、可折疊、裝配靈活性高等優點。可在三維空間中自由移動和擴展，易于實現組件裝配和導線連接的一體化[1]。隨著手機、電腦、數碼相機等消費類電子需求日益增長，加之產品功能越來越強大，FPC市場需求也隨之增加。根據市場調研結果可知，預計至2022年全球FPC的產值將達149億美元，年復增長率達到3.87%，成為PCB行業中發展最快的子行業之一，在高端電子產品的運用占比越來越大[2]。

柔性電路板包括雙面板、四層板、六層HDI板。柔性電路板生產所用覆銅板為聚酰亞胺覆銅板。在柔性電路板生產過程中會產生大量有刺激性和部分有劇毒的廢氣。為保證車間內的空氣質量及室外自然環境不受污染，須對生產車間的廢氣進行收集、治理后才可以給予排放，否則會對大氣環境造成嚴重的污染[3]。目前大多數研究和報道廢氣治理工藝主要為PCB的廢氣治理工藝，而對FPC的廢氣治理工藝鮮有報道。盡管FPC行業屬于PCB行業的子行業之一，但因其生產流程和工藝的不同，造成其污染物排放的大小和濃度也不同。本文以某FPC企業廢氣處理工程為例，對其廢氣來源與特征、工藝設計、工程運行效果分析進行介紹，以期為其他FPC企業的廢氣處理提供范例。

1 廢氣來源與特征

某FPC企業主要從事FPC生產加工，基于線路板生產工藝中需要用到若干種原料及化學藥劑，從而產生了大量的廢氣。FPC項目主要生產工藝為鉆孔、酸洗、微蝕、酸性蝕刻、黑孔、化學沉銅、鍍金、阻焊、文字印刷，其主要產生的廢氣污染物為粉塵、硫酸霧、鹽酸霧、硝酸霧、甲醛廢氣、含氨廢氣、含氰廢氣、有機廢氣(VOCs)、含錫廢氣[4-5]。該項目工藝生產過程產生的廢氣及產污工序詳見表1。

表1 項目工藝生產過程產生的廢氣和產污工序

該企業廢氣污染源特征：污染物廢氣量較大、濃度較低、溢散空間較大和捕集較困難。廢氣成份較多，部分可溶于水(如硫酸霧、甲醛和氨氣)，污染因子濃度差異較大。

本廢氣處理工程對于廢氣污染物因子的排放標準要求具體如表2所示[6-8]。

表2 電鍍廢氣和其它工藝廢氣執行排放標準

2 工藝設計

目前PCB廢氣處理工藝為：粉塵的去除主要通過噴氣式集塵機收集；硫酸霧、氯化氫采用氣液逆向吸收方式處理；非甲烷總烴主要采用活性炭吸附處理[9-10]。與PCB廢氣相比，FPC廢氣污染物濃度偏低，所需風量偏低，同時所產生的電費和藥劑費也降低。本項目粉塵采用中央集塵，主機安裝在室外，室內噪音低，減少噪音污染，采用外循環原理，無二次污染，管理方便；有機廢氣和含錫廢氣采用旋流塔和活性炭吸附凈化，與直接采用活性炭吸附法處理相比，本工程工藝通過旋流塔降低了有機廢氣的溫度，去除大顆粒有機物，從而提高活性炭的吸附效果，延長活性炭的使用壽命。本廢氣處理工程工藝選擇如下所述。

2.1 凈化工藝的選擇依據

凈化工藝的選擇應結合考慮以下六點：處理廢氣量大小；部分廢氣是否有回收利用的價值；凈化程度的要求；投資及運行的經濟性；系統運行的安全可靠性；系統設置的占地面積及載重。

2.2 處理工藝的選擇

根據表1可知，該廢氣處理工程生產過程中共產生9類工藝廢氣，各廢氣處理系統風量和入口濃度見表3。

表3 各廢氣處理系統風量和入口濃度

2.2.1 粉塵

本項目處理的粉塵為樹脂纖維和銅粉，其主要產生于裁板、鉆孔工序。除塵工藝對三種除塵器進行經濟技術分析，各除塵器對比分析表見表4。

表4 各除塵器對比分析

綜合以上因素，并結合本項目產生的粉塵特性，從經濟上以及工藝可行性上考慮，選用布袋除塵器更為適宜。收集的粉塵將作為危廢委托相關資質單位進行處置。

產生的粉塵通過集氣管道收集后進入布袋除塵器進行處理，在布袋除塵器處理后經20 m高排氣筒排放。

2.2.2 酸性廢氣

酸性廢氣(包括硫酸霧、氯化氫、氮氧化物)主要產生于DES線、OSP線、棕化線、黑孔線、化學沉銅、電鍍銅線和化學鎳金等生產線酸洗和蝕刻工序。項目DES線和黑孔線、OSP、棕化線均為水平生產線，電鍍銅線、化學鎳金、化學沉銅均為垂直生產線。水平生產線的設備在生產過程中基本處于密封狀態，垂直生產線均安裝玻璃伸縮門進行密閉。各生產線廢氣產生點均設置廢氣收集系統，廢氣收集系統按種類進行收集。

對上述酸性廢氣采用堿液洗滌的方式進行處理，利用酸堿中和原理進行酸性廢氣的治理。

洗滌塔原理如下：洗滌塔內設氣流分配板、特拉瑞德花環、螺旋噴嘴，120°噴灑洗滌液[11]。氣體由洗滌塔的下部進入，從下往上通過填料層，與上部噴下的洗滌液相接觸混合。填充材料具有較高的比表面積，使氣體液體的停留時間增長的填充濾材，確保塔內的氣流均勻分布并使氣液完全接觸。同時填充濾材應有適當的空隙以減少氣流上升的阻力，減少洗滌塔的壓力損失。經洗滌塔洗滌處理后，酸性廢氣與堿性洗滌液發生中和反應，達標排放。廢氣洗滌塔裝置示意圖見圖1。

1.噴淋塔；2.循環液池；3.加藥泵；4.循環水泵 5.填料層；6.噴淋系統；7.除霧層；8.排水口 9.進水口；10.廢氣入口；11.廢氣出口圖1 廢氣洗滌塔裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the waste gas scrubber device

每套收集系統收集后引至樓頂采用堿液洗滌塔凈化處理后經20 m排氣筒排放。產生的廢水匯入綜合廢水管道然后進入該廠污水處理站綜合廢水收集池進行處理。

2.2.3 甲醛廢氣

甲醛廢氣主要產生于化學沉銅工序，另外該生產線中產生的廢氣還有酸洗、微蝕等過程產生的硫酸霧廢氣，且甲醛自身也易溶于水。因此，對甲醛廢氣采用堿液洗滌的方式進行處理。

產生的甲醛廢氣經集氣罩收集后與酸性氣體一并進入堿液洗滌塔進行凈化處理后經20 m排氣筒排放。產生的廢水匯入綜合廢水管道然后進入該廠污水處理站綜合廢水收集池進行處理。

2.2.4 含氨廢氣

由于含氨廢氣與酸性廢氣中的氯化氫混合后反應生成氯化氨，時間久了會在管道內結晶和堵塞噴淋塔填料孔，縮短噴淋塔使用壽命。因此，含氨廢氣需要單獨收集處理。因本項目氨氣濃度低(≤6.58 mg/m3)，所以含氨廢氣采用水進行洗滌凈化處理。

產生的含氨廢氣經收集后進入水洗滌塔凈化處理后經20 m排氣筒排放。產生的廢水匯入綜合廢水管道然后進入該廠污水處理站綜合廢水收集池進行處理。

2.2.5 含氰廢氣

產生的含氰廢氣經專用管道收集后采用堿液+次氯酸鈉兩層噴淋的洗滌塔凈化處理后經25 m排氣筒排放。產生的含氰廢水匯入含氰廢水管道然后進入該廠污水處理站含氰廢水收集池進行處理。

2.2.6 有機廢氣和含錫廢氣

在回流焊工序會產生有機廢氣和含錫廢氣，綠油阻焊、烘干和文字印刷等工序均會產生有機廢氣。有機廢氣一般處理方法有吸收法、活性炭吸附法、催化燃燒法、焚燒法和冷凝法等方法[13-14]。吸收法是以液體為吸收劑，通過吸收裝置使廢氣中的有害成分被液體吸收，達到凈化廢氣的目的。活性炭吸附法是利用活性炭內部的微孔，將廢氣中的一種或幾種組分濃集在固體表面，從而與其它組分分開[15]。吸附時間長了之后活性炭吸附劑會逐漸飽和，需要進行再生或更換。催化燃燒是典型的氣-固相催化反應，通過催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度條件下，發生無焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O。焚燒法主要利用有機氣體在高溫下可以燃燒轉化為CO2和H2O的原理，將有機廢氣在高溫下分解為無毒的水和二氧化碳。冷凝法主要是利用有機物具有不同的露點溫度，其組分會依次被冷凝成液態而分離出來。五種主要方法比較見表5。

表5 五種有機廢氣處理方法適用性、技術特性比較

由上表可知，五種方法中活性炭吸附法處理成本低廉，方法成熟，實際應用也較多。因本項目的有機廢氣風量大和產生濃度低(≤25.8 mg/m3)，從經濟上以及工藝可行性上考慮，采用活性炭吸附法更為適宜。活性炭的更換頻率為半年更換一次。更換產生的廢活性炭將作為危廢委托相關資質單位進行處置。

產生的含錫廢氣與有機廢氣一并進入濕式旋流塔，降低有機廢氣的溫度和去除大顆粒有機物以利于提高活性炭的吸附效果，然后利用活性炭的吸附性，凈化處理后經20 m排氣筒排放。產生的有機廢水匯入有機廢水管道然后進入該廠污水處理站有機廢水收集池進行處理。

各廢氣處理系統具體工藝流程見圖2。

圖2 FPC廢氣處理工藝流程圖Fig.2 FPC waste gas treatment process

2.3 廢氣處理設備細明表

表6 主要系統及處理設備一覽表

3 工程運行效果分析

3.1 運行情況

該廢氣處理工程于2017年10月調試完成并投入使用，系統運行穩定，處理效果可靠。圖3和圖4分別為連續兩天，每天監測3次的各處理系統廢氣入口濃度和出口濃度的監測數據。

圖3 各處理系統廢氣入口濃度Fig.3 Inlet concentration of waste gas in each treatment system

由圖4可以看出各處理系統廢氣出口濃度：硫酸霧濃度為0～0.10 mg/m3，氯化氫濃度為0.01～1.36 mg/m3，氮氧化物濃度為0～0.53 mg/m3，甲醛濃度為0.02～0.05 mg/m3，氨氣濃度為0.48～0.66 mg/m3，氰化氫濃度為0.02～0.13 mg/m3，含錫廢氣濃度為0.75～2.35 mg/m3，VOCs濃度為0.846～2.505 mg/m3，粉塵濃度為1.47～2.56 mg/m3，各項指標均低于排放限值，達到設計要求和預期目的。

圖4 各處理系統廢氣出口濃度Fig.4 Outlet concentration of waste gas in each treatment system

3.2 運行管理

本廢氣處理系統在運行中采用智能化的操作方式，對運行情況實行全程監控，實時顯示系統的運行狀態和參數，并設有報警功能。在運行過程中遇到風量風壓的變化，經壓差變送器將信號傳遞給控制系統，通過自動控制變頻器調節風機功率，從而節能降耗[16]。系統的保養維護點較少，主要是對噴淋塔系統的水箱定期換水(更換頻率為2次/月，一次更換量為42 m3)、pH和ORP值進行記錄，對活性炭吸附箱的壓差值進行記錄和定期更換活性炭(更換頻率2次/年，一次更換量為10噸)，對電機上油及電箱除塵等。系統在運行中發生故障的概率很低。

3.3 投資與運行成本分析

該項目總投資270萬元，年運行費用198.96萬元。運行費用主要包括藥劑費、電費、自來水費、污水處理費、活性炭費和人工費。年運行費用計算見表7和各項費用占比見圖5。由圖5可以看出，其年運行費用主要費用為電費，占比為90.9%，所以應該積極對其成本進行控制。本廢氣處理設備各系統風機均采用國家高效節能電機和變頻控制。在日常生產中需做到以下3點來減少相應的電費支出，從而控制年運行成本：將變頻器頻率調至車間所需風量；定期對設備進行維護，減少壓力損失，使風機處于優良工作工段，確保廢氣設備高效的運行；現場已經對相近的兩套有機廢氣進行了管路并聯，當其中一套廢氣設備風量需求較小時，切換閥門，開一套處理廢氣系統即可。

表7 年運行費用

圖5 各項費用占比Fig.5 Proportion of each expense

4 結論

本工程結構主要采用聚丙烯材料和鋼結構材料，構筑物占地面積小，使得整個廢氣處理工藝更加緊湊，便于設備的運營和管理。該設備自動化程度高，設備配備穩定可靠的ORP儀表、pH儀表、脈沖自動噴吹系統和自動卸料系統，可最大限度地降低勞動力，顯著提高廢氣處理效率和處理設施運行的穩定性。

根據該FPC廠的廢氣排放指標的控制情況，粉塵采用布袋除塵器凈化，有機廢氣和含錫廢氣采用旋流塔和活性炭吸附凈化，酸性廢氣和甲醛均采用堿液洗滌凈化，含氨廢氣采用水洗滌凈化，含氰廢氣采用液堿+次氯酸鈉洗滌凈化的工藝來凈化廢氣，具有良好的環境效益。排氣硫酸霧≤0.1 mg/m3、鹽酸霧≤1.36 mg/m3、氮氧化物≤1.74 mg/m3、氨氣≤0.66 mg/m3、甲醛≤0.11 mg/m3、氰化氫≤0.13 mg/m3、有機廢氣≤2.45 mg/m3、含錫廢氣≤2.35 mg/m3、顆粒物≤2.56 mg/m3，各項指標均達到相應排放標準。