Effiziente Lösung zur Reduktion von Stickoxid-Emissionen (NOx) in der Halbleiterindustrie
Saurer Regen und starker Smog – diese Bedrohungen für Gesundheit und Natur werden durch NOx (Stickoxide NO2 und NO) verursacht. Der Umgang mit schädlichem NOx, das bei Verbrennungsprozessen entsteht, ist in vielen Branchen eine echte Herausforderung.
DAS Environmental Experts hat eine schlüsselfertige Lösung für die NOx-Behandlung entwickelt, die für die Halbleiterindustrie und andere Branchen geeignet ist.
Was sind Stickoxide und welche Auswirkungen haben sie auf Umwelt und Gesundheit?
Stickoxide, abgekürzt NOx, sind gasförmige Verbindungen, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl, Gas, Kohle oder Holz entstehen. Zur Gruppe der Stickoxide gehören Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2).
Stickstoffmonoxid (NO) ist eine farblose, bioaktive Substanz, die im Körper unter anderem als Botenstoff genutzt wird. Es hat erweiternde Wirkung auf Blutgefäße und wird daher in Kardiologie und Herzchirurgie sowie zur Behandlung von Lungenhochdruck bei Neugeborenen eingesetzt. NO kann in der Atmosphäre leicht zu NO2 oxidiert werden. Stickstoffdioxid (NO2) ist ein rotbraunes, stark giftiges, stechend riechendes Gas, das bei Temperaturen über 200 °C wiederum in Stickstoffmonoxid und Sauerstoff zerfällt. Es bildet mit Wasser Säure und führt zu der Entstehung von saurem Regen; beide Stickoxide tragen außerdem mit zur Entstehung von Sommersmog bei. Die Gesundheit von Mensch und Tier wird durch die Substanzen gefährdet, denn Stickoxide – insbesondere Stickstoffdioxid – reizen und schädigen die Schleimhäute der Atemwege sowie der Augen und beeinträchtigen die Lungenfunktion. Das Einatmen dieser nitrosen Gase in hohen Konzentrationen ist höchst gefährlich; es kann unter anderem Atemnot und Lungenödeme verursachen.
Ein nicht unwesentlicher Anteil der Luftverschmutzung wird durch den Verkehr verursacht (ca. 37 % der gesamten Emissionen). Die ortsfesten Verschmutzungsquellen, deren Emissionsanteil ca. 30 % ausmacht, sind vor allem Kraftwerke, Abfallverbrennungsanlagen, Glas- und Zementherstellung und Erdölraffinerie. Und nicht nur bei Verbrennungsprozessen, sondern auch beim Arbeiten mit Salpetersäure können Stickoxide freigesetzt werden. Zusätzlich nimmt die Relevanz von der Landwirtschaft als NOx-Emissionsquelle zu (ca. 10 %).
Aus diesem Grunde gelten für Stickoxide schon heute strenge Grenzwerte in vielen Ländern der Erde. Weltweit bemühen sich Regierungen und Behörden, die Freisetzung dieser Luftschadstoffe weiter einzuschränken. Nationale Umweltvorschriften wie die TA-Luft Deutschland oder die EPA USA legen strenge Grenzwerte für NOx-Emissionen fest. Deswegen benötigen nicht nur die bereits genannten großen NOx-Emittenten sondern auch High-Tech-Industrien, wie die Halbleiterindustrie, effektive Lösungen zur Vermeidung, Verringerung oder Behandlung von Stickoxiden.
Quelle: https://www.epa.gov/
Wie entstehen Stickoxide?
NOx werden hauptsätzlich durch die Oxidation von Stickstoff während verschiedenen Verbrennungsprozessen gebildet. Es wird zwischen drei Bildungsmechanismen unterschieden. Das sogenannte thermische NOx entsteht bei relativ hohen Temperaturen (über 1300 °C) aus dem Stickstoff und dem Sauerstoff der Verbrennungsluft. Brennstoff-NOx (englisch: fuel-NOx) bildet sich aus im Brennstoff chemisch gebundenem Stickstoff schon ab Temperaturen von 800°C. Diese komplexen chemischen Prozesse können durch die Reaktionsbedingungen stark beeinflusst werden. Dabei ist es unter anderem auch möglich, dass Stickstoff unter der Einwirkung von Brennstoffradikalen (CHx) in der Flammenfront zu Stickoxid, dem sogenannten prompten NOx, umgesetzt wird.
Bei normalen Verbrennungsprozessen besteht das NOx zu 95 % aus NO. NO2 bildet sich hauptsätzlich im Anschluss der Verbrennung mit dem Sauerstoff der Atmosphäre. Bei ungünstiger Prozessführung kann aber auch Distickstoffmonoxid (N2O) entstehen, besser bekannt als Lachgas. Diese Substanz wird z.B. in der Medizin als Narkosemittel, sowie in der Lebensmittelindustrie als Treibgas verwendet. Lachgas gilt vor allem als ein Treibhausgas, dessen Auswirkung 298-mal so hoch wie CO2 ist.
Stickstoff wird allgemein als Schutzgas oder auch Spülgas bei der Prozessierung der Silizumscheiben im Reinraum eingesetzt, weil das Gas unter normalen Bedingungen außerordentlich reaktionsträge ist – doch bei hohen Temperaturen kann daraus thermisches NOx entstehen. Das betrifft vor allem solche Point-of-Use Verbrennungsanlagen, welche für die Beseitigung von perfluorierten Kohlenwasserstoffen (PFC) nach Ätzprozessen eingesetzt werden. Die im Reaktor für die Zersetzung von PFCs erforderlichen Temperaturen begünstigen als Nebeneffekt die NOx-Entstehung.
In der Halbleiterindustrie werden Stickstoffverbindungen außerdem beispielsweise für das Abscheiden von Nitridschichten benötigt. Für die Bildung von Oxinitridschichten bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD-Prozess) wird normalerweise Lachgas verwendet. Nicht nur in der Mikroelektronikfertigung, sondern auch bei der Produktion von Dünnschicht-Bildschirmen und Dünnschicht-Solarzellen wird Stickstofftrifluorid (NF3) zum Reinigen von CVD-Kammern eingesetzt, und Ammoniak (NH3) auch bei der Herstellung von kristallinen Silizium-Solarzellen.
Die nichtreagierten Reste dieser stickstoffhaltigen Verbindungen werden in der Regel zusammen mit anderen Prozessgasen thermisch entsorgt und gelten dementsprechend als Quelle der Stickoxidemissionen, die nach dem Brennstoff-NOx Mechanismus entstehen.
DAS Environmental Experts bietet innovative Lösung für sekundäre Abgasreinigung
Als Innovationsführer in der Halbleiterindustrie hat die DAS Environmental Expert GmbH (DAS EE) mit TSUGA eine Lösung für die sekundäre Abgasreinigung für NOx-erzeugende Abgasreinigungsanlagen, wie z.B. Brenner-Wäscher-Systeme, entwickelt. Dieser Ansatz ist eine effiziente und zuverlässige Option für High-Tech-Fabs sowie in anderen industriellen Anwendungen.
Die Point-of-use Lösung TSUGA entsorgt NOx im Konzentrationsbereich bis 4000 ppm (NO2, NO), Feinstaub (PM1, PM2.5, PM10) und Partikel in hohen Abgasströmen bis zu 5000 slm (Standard-Liter pro Minute). Somit können an eine TSUGA auch mehrere Abgasreinigungsanlagen angeschlossen werden.
Die DAS-Lösung für die NOx- und Staubminderung kombiniert modernste Technologien: ein hocheffizientes DeDust-Filtersystem und die selektive katalytische Reduktionstechnologie für DeNOx. In der DeDust-Stufe werden nachweislich mehr als 99 % der Partikel (u.a. SiO2) abgeschieden. Diese Filtration verhindert die Verblockung der nachfolgenden Komponenten und des nachfolgenden Katalysators und sichert somit auch die beste katalytische Aktivität über einen langen Zeitraum.
In der anschließenden DeNOx-Stufe kommt eine Technologie zum Einsatz, die NOx nachweislich in Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umwandelt: die selektive katalytische Reduktion (Englisch Selective Catalytic Reduction; SCR). Dank des SCR-Katalysators kann eine NOx-Reduktion von nachweislich mehr als 95 % und Emissionswerte im Bereich von 5 ppm erreicht werden. In TSUGA werden modernste DeNOx-Katalysatoren verwendet. Ammoniak (NH3), das für die Reduktion von NOx verwendet wird, wird automatisch zudosiert. Interne Sensoren sorgen für eine präzise Steuerung und einen geringen Gesamtmedienverbrauch.
Mit unserem Design können wir die effiziente Behandlung schwankender NOx-Konzentrationen über einen sehr langen Zeitraum und eine langfristige katalytische Aktivität sicherstellen. Dabei arbeitet TSUGA mit einem minimalen Energieverbrauch durch die Rückgewinnung von mehr als 75% der Prozesswärme.
In TSUGA ist auch eine Echtzeitüberwachung integriert: Die Anlage ist mit einer Online-Messung der NOx-Emissionen ausgestattet. Diese ermöglicht eine optimierte Kontrolle aller relevanten Parameter und sichert die TA-Luft- und EPA-Konformität. Die erzeugten Daten stehen für behördliche Auflagen und Dokumentationszwecke zur Verfügung.
Der Zugang für Bedienung und Wartung der Anlage erfolgt allein von der Vorderseite.
TSUGA – Bay Solution
Sekundäre Abgasreinigung für NOx
DAS EE ist Ihr Partner für die zuverlässige und effiziente Behandlung von Stickoxiden (NOx).
Ganz gleich, welche Anforderungen Sie haben, unsere Experten finden für Sie die perfekte Lösung!
Kontakt und Beratung
Ihr Ansprechpartner für alle Fragen zum Thema Reduktion von Stickoxid-Emissionen (NOx) in der Halbleiterindustrie
Dr. Christian Kuhne
Director Sales Global