高溫高濕環(huán)境下鋰電池生產(chǎn)工藝流程中除濕方法研究

侯 丹鄒 磊郭峻臣孫長富

1．深圳市怡島環(huán)境空調(diào)工程有限公司

2．深圳市機關事務管理局

3．深圳市節(jié)能與資源綜合利用專家聯(lián)合會

0 引言

近幾年以來，作為可移動式清潔能源，鋰電池獲得了廣泛的運用。如電動汽車、電動自行車、無人駕駛飛機，等等。但作為元素周期表中排列第一的金屬元素鋰，其化學活潑性極其強烈，碰見水就能引起燃爆。因此，生產(chǎn)鋰電池的工藝過程也是非常危險的，故對生產(chǎn)工藝過程中空氣的水分含量有嚴格的要求。

1 鋰電池生產(chǎn)車間環(huán)境要求

為了防止空氣中的水分對鋰電池的影響，鋰電池生產(chǎn)線需要放于干燥房內(nèi)。按照GB 51377-2019《鋰離子電池工廠設計標準》［1］，對干燥房（Dry room）定義為：空氣干球溫度為25℃時，相對濕度為1%以下的房間。經(jīng)查，此時的濕球溫度約為8℃，d=0．2 g/kg干，水蒸氣分壓力0．4×102Pa，露點溫度為-30℃。

通常情況下，如果空氣中的濕度過低，相對濕度的變化已不能準確表達濕度的波動，此時通常用露點溫度值的變化來反映濕度的波動。干燥房內(nèi)露點溫度分六檔，分別為：-20℃、-25℃、-30℃、-40℃、-50℃、-60℃。因此鋰電池干燥房中露點溫度最大值應≤-60℃。幾乎接近絕對干燥的濕度環(huán)境是為了保證鋰電池的生產(chǎn)質量及生產(chǎn)過程的安全［1］。

2 鋰離子電池廠房中生產(chǎn)工藝流程控制的關鍵——除濕

按照GB 51377-2019《鋰離子電池工廠設計標準》［1］第9．4章空氣調(diào)節(jié)與凈化中要求，廠房內(nèi)的空氣潔凈度等級、溫度、濕度要求應滿足生產(chǎn)工藝要求。當工藝無特殊要求時，溫濕度應滿足生產(chǎn)人員舒適性的要求。

況且在鋰電池較長的工藝生產(chǎn)制造過程中，生產(chǎn)人員身上散發(fā)出比平時更多的濕氣，必須要及時吹掃干凈，否則會影響廠房空氣中的濕氣。因此，一般電池行業(yè)需選擇穩(wěn)定性好（能夠連續(xù)運轉）和除濕量大的機組，能產(chǎn)生在-50℃～-60℃露點（精確控制）范圍的氣體對潔凈室內(nèi)進行連續(xù)吹掃,使?jié)穸取囟群蜐崈舳榷寄芊仙a(chǎn)要求。

按照GB 51377-2019《鋰離子電池工廠設計標準》［1］，干燥房應進行嚴格的濕負荷計算，且散濕量應包括如下內(nèi)容：

(1)人體散濕量；

(2)圍護結構散濕量；

(3)原材料及包裝材料散濕量；

(4)工藝過程的散濕量；

(5)各種潮濕表面的散濕量；

(6)滲透空氣帶入的濕量；

(7)新風帶入的濕量。

在上述7項散濕量中，新風帶入的濕量最大，也是最難以處理的。

3 常用的除濕方式及適用范圍

我國目前常用的除濕方式有以下五種：

1）冷凍除濕：冷凍除濕機在工作時通過對空氣中的水蒸氣進行液化的過程降低空氣中的水蒸氣含量。冷凍除濕機的外循環(huán)，分為三個過程：第一個過程是通過風機把空間里的常溫潮濕空氣吸進機器。第二個過程是將吸進來的常溫潮濕空氣中的水蒸氣通過（冷卻銅管和翅片）液化成水滴后，通過軟管排出。第三個過程是被蒸發(fā)器冷卻處理后的干燥空氣再經(jīng)過（高溫銅管和翅片）升溫至常溫通過出風口排出，如此周而往復，空氣被降濕。整個過程也遵循能量守恒定律，空氣也經(jīng)過了常溫-低溫-常溫的一個循環(huán)過程，也是一個能量轉化的過程。

2）轉輪除濕：在運行除濕系統(tǒng)過程中，除濕機啟動后利用電動馬達帶動吸附式轉輪在固定軸線上緩緩運行進行轉圈，轉輪在運動中吸收由前端進入機組空氣中的水分達到給空氣脫水的效果，一旦轉輪扇片中的水分吸附到飽和狀態(tài)后，再通過除濕機組的再生排熱段利用高溫氣體進行脫水再生恢復到干燥狀態(tài)，然后再次重復以上的運行，最后經(jīng)過干燥達到生產(chǎn)要求空氣再經(jīng)表冷段進行溫度調(diào)節(jié)后送入生產(chǎn)車間內(nèi)，這就是所謂的溫濕度控制（高精度）［2］。

3）固體除濕：利用除濕劑上的毛細管（帶有吸附力）將水分吸附在固體吸濕劑上達到除濕效果。該除濕方法一般可以小幅度地降低露點，缺點是當處理較大水分時需要較大的吸附面積，導致設備也隨之變大，不便于設備的就位和安裝，同時造價也相應地很高［2］。

4）空氣壓縮除濕：空氣進入空氣壓縮機后對空氣進行降溫壓縮，分離出空氣中所含的水分，缺點是設備較大，運行成本很高，噪聲大［2］。

5）液體吸收式除濕：采用氯化鋰溶液噴霧吸收水分然后沉降。除濕沉降后的空氣露點可降至0℃左右，缺點：需要較多液體，設備較大，設備很難穩(wěn)定運行，而且必須更換吸收液［2］。

以上五種常用的除濕方式，綜合考慮設備體積、效率、運行時長和經(jīng)濟性，國內(nèi)的鋰電池生產(chǎn)企業(yè)幾乎一致地選擇了轉輪除濕。其優(yōu)點為：除濕量大，運行穩(wěn)定，工作效率高，經(jīng)過轉輪除濕機處理后的空氣低溫露點達到-10℃～-60℃。

在電池生產(chǎn)過程中，手操箱和干燥房的露點溫度值的變化直接取決于干燥設備是否正常運行。能保證如此低濕度的唯一成熟手段便是轉輪除濕。自20世紀70年代浙江造紙研究所成功研發(fā)首臺氯化鋰除濕轉輪至今，轉輪除濕技術已在中國成長30余年，但遺憾的是氯化鋰轉輪吸濕無論在性能、壽命、強度等方面表現(xiàn)都不盡如人意，已被淘汰。盡管如此，轉輪除濕技術已被國內(nèi)企業(yè)接受和掌握，并取得了長足的發(fā)展。在核心部件——除濕轉輪采用進口的基礎上，已完全能夠勝任鋰電池生產(chǎn)過程中所要求的低露點和超低露點濕度控制。

4 深圳的氣候特點——夏天高溫高濕

項目所在地深圳屬亞熱帶季風氣候，溫潤宜人，降水豐富。常年平均氣溫23．0℃。全年80%的時間處于濕熱狀態(tài)。據(jù)深圳市氣象局統(tǒng)計的《深圳市各要素1991-2020年累年平均值》表，1月份為全年最冷月，平均最低氣溫為11．5℃，極端最低達0．2℃（1957年2月）。7月為全年最熱月，平均最高氣溫32．2℃，極端最高氣溫達38．7℃（1980年7月）。

深圳市夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算干球溫度為33．7℃，濕球溫度為27．5℃。對于有超低濕度要求的鋰電池生產(chǎn)工藝而言，深圳的空氣濕度顯然是不適合鋰離子電池生產(chǎn)環(huán)境要求，除非采用特別的除濕方法。

5 鋰離子電池生產(chǎn)工藝過程中除濕凈化方法及選擇

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB 50736-2012第7．1．4條“采用局部性空調(diào)能滿足空調(diào)區(qū)環(huán)境要求時，不應采用全室性空調(diào)”，第7．1．3條“工藝性空調(diào)在滿足空調(diào)區(qū)環(huán)境條件要求下，宜減少空調(diào)區(qū)的面積和散熱散濕設備［3］”的規(guī)定，要求廠房建設空調(diào)機組都必須帶有除濕段，除濕空調(diào)機組是降低環(huán)境露點的關鍵設備。

以深圳市某大型電動汽車產(chǎn)商為例。項目所在地深圳鋰離子電池生產(chǎn)廠房在關鍵性工藝過程采用了轉輪式熱回收新風機組除濕，由于該工段產(chǎn)生有毒氣體必須及時排出，故空調(diào)采用全新風直流系統(tǒng)。設定一臺轉輪除濕機的再生風量為1 000 m3/h，露點溫度tl=-61℃為目標，計算適合該廠房干燥房使用的新風機組選型。其生產(chǎn)工藝流程（見圖1）［2］。

圖1 鋰電池生產(chǎn)工藝流程空氣處理過程圖

考慮到安全和節(jié)能這兩個因素，取項目所在地深圳室外干球溫度t=36℃，相對濕度Φ=62%，此時空氣的其他狀態(tài)參數(shù)為：濕球溫度tw=29．2℃，露點溫度tl=27．2℃，水蒸氣分壓力Ps=35．6×102Pa，含濕量d=22．6g/kg干，焓i=94．5 kJ/kg干（22．6 kcal/kg干）。空氣處理過程的焓-濕圖見圖2［4］。

圖2 空氣處理過程的焓-濕圖

其中，各點的空氣參數(shù)為：

A：干球溫度t=36℃，濕球溫度tw=29．2℃，相對濕度Φ=62%，露點溫度tl=27．2℃，含濕量d=22．6 g/kg干，焓值i=94．5 kJ/kg干，水蒸氣分壓力Ps=35．6×102Pa。

B：干球溫度t=10℃，濕球溫度tw=9．7℃，相對濕度Φ=95%，露點溫度tl=9．2℃，含濕量d=7．3 g/kg干，焓值i=28 kJ/kg干，水蒸氣分壓力Ps=11．8×102Pa。

C：干球溫度t=36℃，濕球溫度tw=8℃，相對濕度Φ=0．8%，露點溫度tl=-24℃，含濕量d=0．3 g/kg干，焓值i=38 kJ/kg干，水蒸氣分壓力Ps=0．5×102Pa。其中，相對濕度

式中，Pb——C點的飽和水蒸氣分壓力。

D：干球溫度t=10℃，濕球溫度tw=0℃，相對濕度Φ=7．5%，露點溫度tl=-24℃，含濕量d=0．3 g/kg干，焓值i=10 kJ/kg干，水蒸氣分壓力Ps=0．5×102Pa。

E：干球溫度t=16℃，濕球溫度tw=3．5℃，其中含濕量：0．0 6 g/kg干， 水蒸氣分壓 力Ps=0．1×102Pa， 焓 值i=16 kJ/kg，由于焓濕圖上最低溫度為-30℃，E點的露點溫度無法求出。將100%飽和曲線無限延長到-273℃。從微分學觀點來看，可以近似為一條直線。根據(jù)D點的露點溫度求出E點的露點溫度，列出比例方程

求得：X=67℃，即-67℃［5-6］。

各段的消耗能量為：

(1)一級表冷器能耗：

（iA-iB）=（94．5-28）×1 000×1．2=66．5×1 200=79 800 kJ/h；

(2)一級轉輪能耗：

（iC-iB）=（38-28）×1 000×1．2=10×1 200=12 000 kJ/h；

(3)二級表冷器能耗：

（iC-iD）=（38-10）×1 000×1．2=28×1 200=33 600 kJ/h；

在關鍵性工藝過程采用了兩級冷凍除濕和兩級轉輪除濕，將新風處理到露點溫度tl=-61℃，完全滿足工藝要求。整個空氣處理機組工作組成及原理如下：

(1)除濕機組的組成分為：新風進口→初效→表冷段→第一級轉輪→中表冷器→第二級轉輪→后表冷器（后加熱）。

(2)除濕機組原理：全新風空調(diào)機組是將室外的新鮮空氣經(jīng)處理后送入封閉區(qū)域、房間的機組，其蒸發(fā)器進風方式為全部新風，潮濕的空氣從進風口吸入，然后降溫后的潔凈度的空氣（經(jīng)過潔凈后的空氣減少對除濕段的應激反應）進入到除濕轉輪段（第一級）處理區(qū)域，此時空氣所含水分子會被轉輪除濕段吸附，第一輪干燥潔凈降溫后的空氣再通過中表冷器進入到除濕轉輪段（第二級）處理區(qū)域，再次干燥后的空氣通過后表冷器（后加熱）調(diào)整至所要求的溫度，由送風管進入生產(chǎn)車間。從而周而復始地循環(huán)，最終達到控制濕度和溫度的要求。通過二級冷凍降溫除濕和二級轉輪除濕，完全有可能制取超低露點溫度（-60℃以下）的空氣，達到鋰電池生產(chǎn)對環(huán)境的要求［7］。

6 轉輪除濕機的節(jié)能

換熱效率是熱回收裝置的重要指標，同等條件下，熱回收裝置的換熱效率越高，則熱回收量越多，節(jié)能效果越顯著。以上是影響熱回收裝置熱回收量的基本因素。轉輪除濕機的再生過程，需要消耗大量的熱量，再生處理加熱的能耗較高。轉輪除濕機再生排出的廢氣中含有大量的熱量，可通過相變節(jié)能器，對熱量進行回收利用，給再生新風進行預熱處理，從而降低再生新風加熱的能耗。另外,空調(diào)系統(tǒng)熱回收裝置的節(jié)能性和經(jīng)濟性還與其他許多因素有關，如空調(diào)系統(tǒng)的運行時間，能源和熱回收裝置的價格，冷熱源設備的運行效率等，影響因素比較復雜。

7 結束語

本文闡述了鋰離子電池廠房環(huán)境對潔凈程度的高要求，了解廠房的露點溫度值，設置廠房干燥房及除濕設備的必要性。同時論證了以下研究點：

1）鋰電池生產(chǎn)工藝要求的空氣處理過程其耗能較大，需要對能耗進行計算，根據(jù)工藝過程的計算數(shù)據(jù)，按1 000 m3/h風量和模塊，可以選擇相對應的制冷機組、風機、轉輪除濕機等機電設備。

2）二級冷凍降溫除濕和二級轉輪除濕，完全有可能制取超低露點溫度（-60℃以下）的空氣，達到鋰電池生產(chǎn)對環(huán)境的要求。

3）我國的六種主要的大氣常規(guī)污染物是SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2．5。深圳霧霾中會有不同比例的六種污染物，主要成分是PM2．5。深圳的PM2．5主要來源是本地揚塵源、機動車、火電廠、工業(yè)鍋爐、船舶等的排放。深圳地區(qū)2019年之前的環(huán)境空氣污染處于二級輕度污染狀態(tài)，時常有霧霾天氣。近兩年國家大力發(fā)展電動汽車等環(huán)保交通工具，采用鋰電池后的城市空氣環(huán)境有所改善。鋰電池的使用，以及在生產(chǎn)鋰電池過程中采用的環(huán)保節(jié)能設備等都對改善全球氣候，促進碳達峰碳中和十分有益。