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中国显示器件行业VOCs排放特征及控制对策

日期: 2019-03-19
来源: 《环境科学研究》
作者:

摘要:为掌握和了解我国电子行业VOCs的排放特征,以显示器件行业为研究对象,梳理和分析其生产工艺及排污环节;通过典型企业有机废气的实际排放监测,掌握其VOCs排放水平;利用排放因子法,核算了2011—2016年我国显示器件行业VOCs的排放量,分析其排放量的变化趋势及空间分布特征.结果表明:受产量和污染控制效率变化的双重影响,2011—2016年我国显示器件行业VOCs排放量(文中涉及'全国'的各要素范围均未包含港澳台地区)呈先增后降的趋势,2015年达到最大值(15605 t),此后在产量增长放缓和污染控制效率提高的作用下,2016年的排放量有所下降;从排放占比来看,显示器件行业无组织VOCs排放占比从2011年的45%升至2016年的53%,车间无组织VOCs逸散,以及废水处理过程、有机原辅料和有机废液储运等环节的VOCs无组织排放是行业污染控制的重点和难点.研究显示,我国显示器件行业VOCs无组织排放量占比逐年上升,为控制未来行业VOCs排放,企业应将无组织排放转化为有组织排放,之后再通过高效的末端处理装置来减少VOCs排放量。

随着现代科学技术的不断创新和发展,多媒体技术不断升级和优化,作为人机信息交换的平台,显示器件的地位和重要性突显,显示技术得到空前发展。 显示器件产品主要包括LCD ( 液晶显示器)、PDP(等离子显示器)、LED ( 发光二极管显示器)、OLED (有机发光显示器),目前LCD 技术相当成熟,占据最大市场份额,是当前最主要的显示器件. 随着居民可支配收入不断增加,对电子设备的需求也不断提高,显示器件的产量逐年增加. 显示器件在生产过程中,需要用到大量的有机溶剂( 如异丙醇、光刻胶、稀释剂等),导致大量的VOCs( 挥发性有机物)等有害废气排放,是一类重要的VOCs 污染源,受到越来越多的关注. VOCs 是空气中普遍存在且成分复杂的一类有机污染物的统称,在一定条件下可与NOx反应生成O3,也可导致光化学烟雾事件并参与大气中二次气溶胶的形成. 因此,控制和减少显示器件VOCs 排放量对于改善空气质量具有重要的作用.

欧美等发达国家开展VOCs治理工作较早,对相关重点行业排放特征的研究也较早,建立了VOCs排放清单数据库并定期进行更新.美国环境保护局构建了涵盖VOCs的国家排放清单,欧盟环保署构建了多国多污染物排放清单.此外,美国、欧盟、日本等国家和地区均针对电子行业制定了VOCs排放标准,明确规定了VOCs 的排放质量浓度与限值.针对电子工业的颗粒物、有毒废气和VOCs 等也制定了相关的排放标准,其中VOCs 的许可排放质量浓度为20 mg/m3.《欧盟固定源废气VOCs限制指令》规定了电子工业的表面涂装和清洗的排放质量浓度限值为20mg/m3 或排放速率限值为100 g/h. 相对于发达国家,我国电子行业管控较为宽松,行业排放标准仍在征求意见中. 在VOCs排放特征方面,国内外学者对于印刷、涂料、机动车等VOCs 重点源研究较多. 在电子行业方面: 何梦林等研究了电子产品外壳生产过程各车间中ρ(VOCs),并分析了其VOCs组分排放特征;马英歌对上海市印刷电路板厂VOCs进行了研究,分析工厂车间和废气排放口VOCs的质量浓度和组分,得到VOCs的分布特征;肖景方等选取塑胶零件、印刷线路板和主板为研究对象,获取车间和废气排放口VOCs的质量浓度与组分;徐捷等对半导体制造业的VOCs排放也有所研究.但此前的研究多集中在某一电子行业类别有组织排放口的VOCs及其组分排放的质量浓度及规模,宏观的行业排放特征及定量化研究较为鲜见.

为掌握和了解我国电子行业VOCs排放特征,该研究以显示器件行业为研究对象,系统梳理和分析其生产工艺及排污环节,通过典型企业的实际排放监测,掌握其VOCs 排放水平. 利用排放因子法,结合活动水平的变化,核算了2011—2016 年全国显示器件行业VOCs 的排放量( 文中涉及“全国”的各要素范围均未包含港澳台地区),分析其排放量的变化趋势,并识别其空间分布特征. 从污染防治、过程控制和末端治理等显示器件生产的全生命周期,考虑经济、社会和环境因素,提出显示器件行业VOCs 控制对策.

1 材料与方法

1. 1 生产工艺及产污环节

该研究以典型的显示器件产品TFT-LCD为例,梳理其生产工艺和产排污环节. TFT-LCD 的生产工艺流程主要包括阵列工程、彩膜工程、成盒工程、模组工程四大部分,其中模组工程不涉及VOCs 的产生.

阵列工程负责阵列基板的生产,包括玻璃基板清洗、CVD(化学气相沉积)、溅射、光刻、刻蚀、剥离等工序,其中光刻通常需要进行5~7 次. 彩膜工程为彩色滤光片的生产,包括清洗、BM (黑色矩阵)膜形成、RGB (红绿蓝) 三色涂布、OC ( 上保护) 膜、ITO ( 层镀导电层) 等工序. 成盒工程负责制屏工序,即负责从PI (配向膜) 涂敷、固化、摩擦、垫料散布、液晶注入、紫外固化、切割、磨边、测试等各工序的生产.

TFT-LCD 工艺流程及产污环节如图1 所示.

由图1可见,显示器件行业生产过程会产生酸碱废气、有毒废气、有机废气(如VOCs)、多种废水和废液等污染物. 生产过程中使用的一些原辅料(如光刻胶、剥离液、稀释剂等) 中本身就含有VOCs,在进行光刻时,这些VOCs物质会挥发进入周围气体环境中,其排放种类多,成分复杂. VOCs排放分为有组织和无组织排放: 有组织排放主要是生产车间内收集的废气通过排气筒排放,通常列为有机废气排放口; 无组织排放包括有机原辅料输送管道的泄漏,生产车间内未被收集的一部分有机废气通过通风设备的逃逸,以及含有VOCs废水、废液和固体废物在处置过程中的无组织排放.

该研究于2016 年1—5月选择华北地区6家显示器件制造企业进行现场调研,并对生产车间废气有组织排放口进行实际排放监测,根据HJ732—2014《固定污染源废气挥发性有机物的采样气袋法》进行VOCs采样,样品避光送到实验室,在24 h 内利用气相色谱质谱联用仪(Agilent 7890A-5975C,美国)进行分析.

1. 2 排放量核算

VOCs 排放量核算方法主要有物料衡算法、实测法和排放因子法3 种:物料衡算法适用于企业根据自身原辅料使用情况、有机溶剂回收情况、产品VOCs质量分数、控制技术等情况进行详尽的核算;实测法对于有组织VOCs排放量的核算较为准确,对显示器件行业的无组织VOCs排放监测和排放量估算较为困难; 排放因子法则适用于宏观计算行业有组织和无组织VOCs 排放.

为获取显示器件VOCs历史排放量和排放趋势,识别该行业时间和空间的排放特征,为下一步行业污染控制提供一些参考和建议,该研究选取排放因子法对显示器件行业VOCs排放量进行核算:

1. 2. 1 产污系数

自2015年起,我国开始对重点行业开展VOCs排污收费试点工作.为核定VOCs 排放基数,多地发布了重点工业行业VOCs排放量核算方法,并提供相关行业的产排污系数. 由于缺乏显示器件行业VOCs的排放因子,因此该研究中产污系数采用北京市环境保护局关于印发《挥发性有机物排污费征收细则》,电子行业-光电子器件及其他电子器件制造VOCs 产污系数为8. 5×10-4 t/m2 .

1. 2. 2 行业废气集气效率和处理效率

2012 年前,我国显示器件行业VOCs排放量未受到足够的重视,VOCs排放也未纳入总量控制,因此,末端处理效率较低,且部分企业出于经济成本的考虑,使用价格低廉、控制效率较低的末端处理装置,如简易的活性炭吸附等. 此后,原环境保护部颁布了《重点区域大气污染防止“十二五”规划》,在全国范围内逐渐开展VOCs摸底调查,建立重点行业VOCs排放机制,开始大力削减石化行业、有机化工行业、表面涂层工艺、溶剂使用工艺VOCs 排放,新建的显示器件生产企业逐步采取措施提高VOCs污染控制水平. 2015年后,我国发布了一系列的政策,如《挥发性有机物污染防治技术政策》《大气污染行动计划》等,继续控制重点源VOCs的排放,加大对VOCs处理的投入,督促企业使用高效的污染净化设备.该研究对全国192 家显示器件制造企业的集气条件和末端处理装置进行了调查,基于各企业的集气条件和末端处理技术的不同,并结合北京市关于印发《挥发性有机物排污费征收细则》中的集气效率(见表1)和处理效率(见表2)取值原则,给出各企业无组织废气收集效率和有组织VOCs去除效率,进而掌握显示器件行业平均的集气效率和处理效率(见图2). 由图2可见:显示器件行业废气平均集气效率由2011年的75%升至2016 年的85%;末端有组织VOCs平均处理效率由2011 年的55%升至2016 年的80%.

2 结果与讨论

2. 1 显示器件行业VOCs排放特征

显示器件行业属于溶剂使用VOCs排放源,有机废气来自于有机原辅料在使用、储存和运输过程中的逸散,以及含有VOCs废水、废液和固体废物在处理和储运过程的VOCs排放( 见图3),最终VOCs通过有组织和无组织排放到大气环境中. 对于有组织废气排放口,多数生产企业采用先进的VOCs控制技术进行去除,如沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧技术,可有效减少有机废气的末端有组织排放水平.

对华北地区6家显示器件制造企业进行的现场调研发现,这些企业均采用了较为先进的沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧技术净化废气,经净化后的有机废气中ρ(VOCs) 为4.38~13.10mg/m3,平均值为7.5mg/m3(见图4). 根据文献报道,通常涉有机溶剂使用的显示器件行业有组织排放初始ρ(VOCs) 在20~200mg/m3 之间,可以看出,在采取有效的末端控制技术后,有组织废气排放口VOCs 可以得到较好的控制和削减,排放水平低于当前地方排放标准限值,从而减少有组织VOCs排放量. 对于无组织排放的控制难度较大,其排放贡献在逐步加大,应引起足够的重视. 下一步应通过有机溶剂的源头替代、提高生产车间内的废气集气效率,将无组织排放转化为有组织排放,再通过高效净化和去除来减少总体的VOCs 排放量.

与显示器件行业类似,其他电子行业( 如电子元件制造业) 在生产过程中同样会排放大量的VOCs.从相关研究可以看出,由于控制手段有限,电子元件制造业排放ρ(VOCs)较高,平均值为55mg/m3.其中,印刷电路板松香涂布工艺排放的ρ( VOCs) 为150~200mg/m3,其次是电容器的包封工艺,为70~95mg/m3. 对广东省电子行业的研究发现,企业喷涂车间的ρ(VOCs)最高可达到322mg/m3,排气筒的ρ(VOCs)为48~155mg/m3.与该研究实际监测结果对比可见,通过采用先进的污染治理技术,ρ(VOCs)的排放可以得到有效的削减.

2. 2 显示器件产量及行业VOCs 历史排放变化

我国是全球最大的显示终端生产国和消费国,显示行业规模持续扩大. 根据《中国电子信息产业统计年鉴》中各类显示器件( 包括液晶显示器、等离子显示器、OLED 显示器等)的产量,结合对应产品的尺寸,核算得到逐年显示面板出货面积(见图5). 由图5可以看出,我国显示器件产量快速增长,由2011年的0.12×108m2 增至2016年的0.60×108m2.利用排放因子法,结合各企业产量情况和控制技术水平,逐一对显示器件制造企业的VOCs排放量进行估算,汇总得到2011—2016年我国显示器件行业VOCs排放量,包括有组织和无组织排放量(见图6).

如图6所示,显示器件行业VOCs排放量呈现先增后降的趋势,2015年前虽然废气收集效率和污染控制水平也在提高,但由于产量的增长速度更快,VOCs排放量受产量增加的影响而逐年增加,2015年达到最大值,为15 605t. 2015年10月部分地区开始征收VOCs排污费,在全国范围内加强对VOCs的排放监管,促使了生产企业的废气集气效率和处理效率进一步提升. 因此,2015年后,受显示器件产量增长放缓、VOCs控制水平提高的影响,2016年VOCs排放量开始回落,较2015年减少了1151t. 从有组织排放和无组织排放占比情况来看,在初始的产生状态,有组织的产生量远大于无组织,末端治理设施可有效削减有组织排放量,且去除效率逐年提高;相反,企业对无组织排放缺乏相应的控制措施,其排放贡献呈明显上升趋势,无组织排放占比从2011年的45%升至2016年的53%,无组织排放控制及精细化管理是行业VOCs减排的关键和重点.

2. 3 空间分布特征

图7 为2016 年显示器件行业VOCs 排放量分布情况. 我国显示器件产量主要集中在长江三角洲(江苏省、浙江省和上海市)、闽粤地区( 福建省和广东省)和京津冀经济较为发达地区,西南的成渝地区(四川省和重庆市)有一定的分布. VOCs排放量与产生量呈正相关,长江三角洲排放量约占全国排放量的49.1%,其次是闽粤地区约占36.9%. 江苏省排放贡献最大,约占全国排放量的26.0%,福建省和浙江省则分别贡献了23. 3%和20. 0%.

2016年我国对显示器件VOCs 排放量较大的地区,陆续加大了对其VOCs 排放问题的重视和关注.为改善生态环境质量,北京市和上海市在2015年已率先制定VOCs排放的差别化收费政策,鼓励企业进行清洁生产;江苏省在2016年颁布了《江苏省VOCs核算技术指南(试行)》,为摸清电子工业的排放量和污染治理现状提供基础; 广东省电子行业较为发达,相关行业VOCs排放标准已在征求意见中.但就目前情况而言,针对显示器件行业或电子行业的VOCs污染防治方案仍然较为缺乏,因此,建议环境主管部门结合行业污染排放特点尽快出台更有针对性和具可操作性的系列污染防治工作方案,加强环境执法和监管.

2. 4 显示器件行业VOCs控制对策

2. 4. 1 源头控制

地方应该督促各显示器件制造企业采用VOCs含量低、污染小的原辅料,积极寻找可以替换的物品,减少有机溶剂的使用,把VOCs的排放量控制在最小的范围. 鼓励使用通过我国环境标志产品认证的环保型清洗剂. 企业应对生产过程中产生的废溶剂进行密闭收集,有回收价值的废溶剂应处理后回用,其他废溶剂要妥善处置.

2. 4. 2 清洁生产

企业应积极推行利用率高、可循环回收的先进工艺,减少有机溶剂使用量,回收可重复利用的溶剂.提高密闭车间的集气效率,使无组织排放区域、人员和物料进出口均处于负压操作状态,并设压力监测器,减少无组织排放. 加强对有机原辅料在使用、存储和运输过程中的VOCs 监管,选用高性能、环保型的原材料.

2. 4. 3 末端治理

显示器件行业废气气流量大,ρ(VOCs) 相对较低,主要还是采用吸附法和焚烧法的组合方式,如沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧技术. 该技术使用的浓缩转轮是一个装满吸附剂的旋转轮,废气由旋转轮的上游侧进入吸附区,使VOCs得到浓缩,再经脱附燃烧处理,去除效率较高;对于半导体、显示器件制造、印刷电路板等企业,废气中除了VOCs外一般还含有酸性气体、碱性气体和一些有毒气体,也可考虑在末端处理装置前端增加喷淋塔来去除颗粒物和部分水溶性废气,从而提高净化效率.

3 结论

a) 显示器件行业VOCs排放量呈现先增后降的趋势,2015年达到最大值(15 605 t).此后,受显示器件产量增长放缓、VOCs 控制水平提高的影响,2016年VOCs 排放量开始回落,较2015 年排放量减少了1151t.

b) 从有组织和无组织排放占比情况来看,无组织排放贡献上升明显,其占比从2011年的45%升至2016年的53%.无组织排放控制是行业VOCs减排的关键和重点.

c) 对于有组织废气排放口,当采用先进的VOCs控制技术进行去除,如沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧技术,可有效减少有机废气的末端有组织排放水平,从而减少有组织VOCs 排放量.

d) 对于无组织排放的控制难度较大,其排放贡献在逐步加大,应引起足够的重视. 下一步应通过有机溶剂的源头替代、提高生产车间内的废气收集效率等措施,将无组织排放转化为有组织排放,再通过高效净化和去除来减少总体的VOCs排放量.



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