鉛酸蓄電池生產(chǎn)中化成區(qū)火災(zāi)危險性確定及應(yīng)對措施

李文強(qiáng)

摘要： 鉛酸蓄電池廣泛用于國防、航空、通信、交通等眾多領(lǐng)域，鉛酸蓄電池的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)了信息、通信、汽車等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。鉛酸蓄電池是目前汽車使用的一種化學(xué)電源，具有電壓平穩(wěn)、安全可靠、價格低廉、適用范圍廣、原材料豐富和回收再利用率高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：鉛酸電池;火災(zāi)危險性;建筑設(shè)計

引言：

鉛酸蓄電池的生產(chǎn)企業(yè)的化成車間在蓄電池生產(chǎn)過程中有易燃易爆的氣體氫氣的產(chǎn)生，是否應(yīng)該將車間的火災(zāi)危險性類別定義為甲類，本文從鉛酸蓄電池的充放電反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分析，深度探索了鉛酸蓄電池的火災(zāi)危險性及管理措施，實現(xiàn)本質(zhì)安全，為企業(yè)的快速發(fā)展保駕護(hù)航。

1 鉛酸蓄電池的生產(chǎn)工藝過程

本文以國內(nèi)某高端鉛酸電池工廠為例，該工廠擬年產(chǎn)750萬只高容量全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池，電池產(chǎn)品共有兩類，一類是SLI電池，一類是AGM電池。電池主要由電池槽、電池蓋、正負(fù)極板、稀硫酸電解液、隔板及附件構(gòu)成。工藝制造過程主要為以下五個方面，流程簡述如下：

（1）鉛粉制造：將電解鉛用專用設(shè)備鉛粉機(jī)通過氧化篩選制成符合要求的鉛粉。

（2）板柵制造：板柵是將鉛鈣合金用拉網(wǎng)的方式制造成符合要求的不同類型各種鉛帶，再將鉛帶制成板柵。

（3）極板制造：用鉛粉和稀硫酸及添加劑混合后涂抹于板柵表面再進(jìn)行干燥固化即是生極板。

（4）電池組裝：將正負(fù)極板進(jìn)行配組、焊極群、裝槽，再通過穿壁焊接和中蓋熱封等工序完成電池組裝。

（5）化成總裝：將組裝好的電池進(jìn)行加酸化成，化成后的電池需要進(jìn)行清洗、頂蓋熱封等工序完成最終產(chǎn)品。

2 鉛酸電池的工作原理

根據(jù)上述工藝說明，電池經(jīng)過組裝后進(jìn)入化成區(qū)進(jìn)行充電，電池的充電過程會析出氫氣，因此本節(jié)主要論述關(guān)于鉛酸蓄電池的化成區(qū)（充電區(qū)）的火災(zāi)危險性的類別確定的說明。

根據(jù)鉛酸蓄電池的工作原理，鉛酸蓄電池正極活性物質(zhì)是二氧化鉛，負(fù)極活性物質(zhì)是海綿鉛，電解液是稀硫酸溶液，當(dāng)充電70%～80%的電量時，正極開始析出氧氣，當(dāng)充電基本完成約90%時，負(fù)極開始析出氫氣。蓄電池的充放電的化學(xué)方程式如下：

Pb（負(fù)極）+ PbO（正極） + 2H2SO4 → 2PbSO4 +2H2O

充電時的副反應(yīng)為

正極：2H2O-4e→O2+4H+（當(dāng)正極充電到70%時，開始析出氧氣）

負(fù)極：2H++2e→H2（當(dāng)負(fù)極充電到90%時，開始析出氫氣）

氫氣是易燃易爆的甲類氣體，在空氣中的爆炸極限是4.1%～74.1%，因此充電區(qū)域的氫氣濃度若達(dá)到爆炸極限時，遇火源就會發(fā)生爆燃。

3 充電化成區(qū)的火災(zāi)危險性類別的定義

本項目的化成區(qū)長119.4m，寬123.4m，建筑面積為12955m2，車間凈空高度為12.2m，車間共有四個化成臺，分別為1個SLI/EFB產(chǎn)品化成臺可同時充電電池的數(shù)量為5760個，充電時間為8h，3個AGM產(chǎn)品的化成臺，每個AGM化成臺可同時充電6480只鉛酸蓄電池，充電時間為24h。

現(xiàn)將確定化成區(qū)（充電區(qū)）確定車間的危險性的兩種方式介紹如下：

3.1根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2014）第3.1.2條計算

根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2014）第3.1.2條的條文說明，該說明中列出了部分生產(chǎn)中常見的可不按物質(zhì)危險性確定生產(chǎn)火災(zāi)危險性類別的最大允許量。其中，當(dāng)生產(chǎn)區(qū)域釋放出的氫氣的總量與房間的比值小于1L/m3，且總量小于25m3時，該區(qū)域火災(zāi)危險性的類別可不定性為甲類，即：

氫氣總量（L）/廠房的容積（m3）<單位容積的最大允許值。

其中AGM的產(chǎn)品電池盒內(nèi)除去電解液外電池內(nèi)剩余體積為1310cm3，即0.00131 m3，SLI的產(chǎn)品電池盒內(nèi)除去電解液外電池內(nèi)剩余體積為870 cm3，即0.00087 m3，設(shè)該部分的空間是電池充電過程中釋放出的氫氣（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）的體積，考慮到3個AGM化成臺生產(chǎn)時的使用系數(shù)為0.7，計算出充電中可釋放的氫氣的體積為0.00131*1000*6480*3*0.7+0.00087*1000*5760=22837.68L，即22.84m3，氫氣的總量小于25m3;該車間建筑面積為12955.9m2，以車間的檐口高度11.2m，車間凈高12.3m，該處車間的體積為146807m3，則

氫氣總量/廠房容積=22.84/146807=0.156L/ m3<1L/ m3。

假設(shè)在生產(chǎn)中所有的蓄電池全部在充電，并處在釋放氫氣的過程中，且釋放出的氫氣都為擴(kuò)散至室內(nèi)，留存在廠房內(nèi)，其單位容積的釋放量和釋放的總量均小于最大的允許量。

3.2 根據(jù)實際的產(chǎn)生氫氣量及空間換氣量計算

按照鉛酸蓄電池的充電原理，鉛酸電池在充電達(dá)到90%以后，剩余的10%的充電量在負(fù)極形成氫氣，以此來計算氫氣量，按照最大的AGM電池容量，即80Ah*10%=8Ah的電量去產(chǎn)生氫氣，而每只最大容量的SLI電池有70Ah*10%=7Ah的電量去產(chǎn)生氫氣。

根據(jù)電流安培的定義：1A=1C/s（即每秒鐘通過1庫倫電子數(shù)量），則每個AGM電池的8Ah=8Ah*3600s/h=28800C 電量，1C的電量為6.25X1018的電子數(shù)量，則8Ah的涉及的電子數(shù)量為1.8X1023的電子數(shù)量，即0.299mol，產(chǎn)生氫氣的量約為0.15mol，即0.299g氫氣（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），換算成體積3.33L。

每個SLI電池的計算方式同AGM電池，產(chǎn)生氫氣的量為2.91L，

則AGM電池產(chǎn)生氫氣的量：3.33*6480*3*0.7=45314.6L=45.31m3，

SLI/EFB電池產(chǎn)生氫氣的量： 2.91*5760=16761.6L=16.76m3，

充電的時間SLI電池按照8h來計，電池釋放氫氣的時間為0.8h，在所有電池均在充電時同時釋放氫氣，則每個小時產(chǎn)生氫氣的最大量為20.95m3/h;AGM電池的充電時間為24h，電池釋放氫氣的時間為2.4h，則每個小時產(chǎn)生氫氣的最大量為18.88m3/h;合計氫氣釋放速率最大值為39.83m3/h為保證氫氣的濃度小于1L/ m3，則需要保證車間的通風(fēng)量在39830m3/h以上即可達(dá)到該技術(shù)要求。

根據(jù)環(huán)保的要求，生產(chǎn)過程中是在化成臺上配置有封閉式的酸霧收集罩，并進(jìn)行大量的排風(fēng)，車間每個化成臺的排風(fēng)量為162000m3/h，以最不利的SLI化成臺計算，罩內(nèi)氫氣的濃度為20.95*1000/162000=0.129L/m3，可滿足規(guī)范要求的1L/m3的要求。車間化成區(qū)的總體積為146807m3，為達(dá)到車間總氫氣量小于25 m3，即要求車間氫氣的平均濃度在0.17L/ m3以下，而從排氣罩內(nèi)逸出的風(fēng)量按照10%考慮，則每個小時逸散到車間的氫氣總量為

0.117*3*0.7*162000*10%+0.129*162000*10%=6.07m3/h

即車間的氫氣的每小時由通風(fēng)罩內(nèi)逸出的氫氣量為6.07m3/h，因此車間的只要考慮35700m3/h以上的通風(fēng)量即可保證車間的氫氣總量小于25 m3。由于氫氣密度比空氣輕，容易在車間頂部富集，為保證車間頂部氫氣不超標(biāo)可在屋頂設(shè)置強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)量只要大于35700m3/h，即可保證車間濃度小于1L/m3，總量小于25m3的要求，這樣該車間火災(zāi)危險性類別可不定義為甲類。

事實上充放電的過程中氫氣的產(chǎn)生量遠(yuǎn)小于上述的計算量，因為最后的10%的電能不可能全部用于水電解，同時在生產(chǎn)過程中一般也不會滿足所有的電池均在充電并處在釋放氫氣的階段。此外車間頂部設(shè)置有電動開啟的屋頂通風(fēng)器系統(tǒng)，通風(fēng)面積達(dá)到了100m2以上，在微風(fēng)的狀態(tài)下（3.5～5.5m/s，取4m/s），車間的進(jìn)氣量4m/s*100m2*3600s*0.5=720000m3/h，該進(jìn)氣量遠(yuǎn)大于所需車間的額外的通風(fēng)量。

綜上所述，該車間的火災(zāi)危險性的類別可不定義為甲類。

4 預(yù)防火災(zāi)及爆炸的安全措施

盡管車間釋放的氫氣量較少，不足以將車間的火災(zāi)危險性定位甲類，但由于氫氣的易燃易爆性，車間內(nèi)預(yù)防火災(zāi)，爆炸的安全措施仍然必不可少。

車間內(nèi)需要設(shè)置大量的通風(fēng)設(shè)施，同時車間在屋頂設(shè)置了自然通風(fēng)天窗。車間內(nèi)設(shè)置氫氣氣體報警裝置，并與車間屋頂?shù)碾妱犹齑奥?lián)動，以防止局部爆炸危險區(qū)域的形成，同時氣體報警裝置與車間化成區(qū)的整流器間報警設(shè)施聯(lián)鎖，當(dāng)氫氣濃度報警后，化成臺上的充電線路緊急切斷。

室內(nèi)電氣穿管敷設(shè)，電氣連接處良好，牢靠，避免產(chǎn)生火花放電，生產(chǎn)中嚴(yán)禁在化成區(qū)吸煙，用明火照明或取暖，不準(zhǔn)在室內(nèi)進(jìn)行動火作業(yè)。

5 結(jié)束語

由于氫氣釋放的原因，給鉛酸蓄電池生產(chǎn)企業(yè)帶來一定的復(fù)雜性，但通過科學(xué)的計算及有效的安全措施及安全生產(chǎn)管理辦法，可以預(yù)防化成區(qū)的氫氣火災(zāi)，對爆炸危險區(qū)的危險預(yù)防也是切實可行。同時也應(yīng)看到，氫氣的總量對于鉛酸生產(chǎn)企業(yè)的廠房的規(guī)模及生產(chǎn)的綱領(lǐng)是有一定的限制。因此作為企業(yè)主，應(yīng)切實地根據(jù)消防的要求對于產(chǎn)能的規(guī)劃作出合理的判定。

文獻(xiàn)參考：

[1]李文婷，鉛酸電池工廠設(shè)計[J].天津建設(shè)科技，2018，（028）：001.

[2]羅瑤，鉛酸蓄電池極板車間的火災(zāi)危險性類別確認(rèn)及安全對策措施[J].江西化工，2013，（4）：334-335.

[3]桂長清，鉛酸動力電池的工作原理及開發(fā)現(xiàn)狀，機(jī)械工業(yè)出版社，2009

[4]建筑設(shè)計防火規(guī)范（GB50016-2014）（2018版）