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锂电池厂房设计和施工8个要点1个总结建设方案

发布时间:2022-10-06
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       随着新能源电动汽车行业兴起,带动着动力电池生产企业的迅速发展,同时也带动着对锂电池洁净厂房的建设需求。较多企业新涉足此行业,对厂房建设停留在依葫芦画瓢的阶段,或怕出问题一味的提高建设要求,最终导致施工过程经常出现边建边拆边改的情况,造成投资的浪费。

锂电池洁净厂房设计方案

       为使潜在投资企业了解锂电洁净厂房的基本建设需求,避免盲目投资,合景净化工程公司从以下分别从厂房结构、消防、内装、空调、工艺管道、电气方面做简单综述。

锂电池洁净厂房设计方案

一、厂房结构

       厂房分自建厂房和租赁厂房,因锂电洁净厂房整体建筑面积大,比较难找到合适厂房租赁,大多数企业选择自建厂房。

       自建厂房又分为混凝土框架结构及钢结构,各有优劣。混凝土框架结构土建施工周期长,投资预算高,使用周期长,适合做长远发展的大中型企业;钢结构厂房施工周期短,投资预算低,使用周期短,适合需要迅速发展的中小型企业。以上不管何种结构厂房,均不宜建多层厂房,且均需充分考虑地基承重、楼面沉重、设备房大小、厂房消防等级等。设备房及辅助用房建议统一设置在某一侧或某个集中区域。

       荷载按照800KG/M2。

       层高按照6.6M~7.2M~8M

       柱网按照9 M ~12M

二、消防

       由于锂材料的特殊化学性,又需满足消防验收要求,在节约投资的情况下也也需要充分考虑到危险的防范,此部分需特别注意。一般厂房为丙类厂房,消防涵盖排烟、喷淋、报警、应急照明等。注液区、电解液存放区、高温房等危险性较高区域,需单独隔离防火分区,各类设备考虑防爆及耐腐蚀要求等。

       注意一定要设计为丙类厂房,否则消防有可能验收不过。

       化成间、分容间、二次高温静置房设计消防卷盘,用于非消防人员在火灾初期有效扑救;卷盘长度25M。

三、内装

       隔墙布局需综合消防逃生、人流物流通道、生产设备的摆放等多方面因素。生产设备由于生产材料的不同(如三元锂、磷酸铁锂等)及设备自动化程度或厂家的不同,尺寸规格有较大出入。建设单位需在确定产品、生产设备后再结合考虑整体布局,有出入再做调整。由于存在高温和低湿度环境的特殊性,隔墙、天花、门窗的选择都需要注意。高温房一般为单独隔离分区,围护采用岩棉板材质,门体采用防火门。低湿度区域围护采用隔墙岩棉板,天花玻镁岩棉板,门体采用成型密闭门,玻璃采用双层真空玻璃窗。

       1)地面:3MM 环氧自流平+高耐磨聚氨酯罩面+哑光,配料车间(正负极搅拌间)、涂布机头、涂布机尾区、清洗间、电解液存放间地面采用厚度2mm的304不锈钢板材焊接,清洗墙面沿地面上翻1200mm

       2)车间墙面采用50型手工玻镁双面岩棉净化板,钢板厚度0.472mm;

       3)辊压机重量35吨,设备基础采用双层双向钢筋结构 ;

四、空调

       锂电洁净厂房一般厂区面积大,制冷总负荷大,需综合计算全区域的总冷负荷,确定制冷主机冷量及安装位置,考虑节能的需求,制冷主机尽量集中在冷冻站,并充分考虑后期扩建连通预留管路阀门,再通过冷冻水管分区输送冷源。北方省份还需考虑冬季防冻措施。

       锂电洁净厂房与其它行业的最大不同是对湿度控制要求较高,除湿机组是保障环境露点的核心设备。除湿机组的选择,车间围护的密闭性,风管的密闭性,人员数量,车间的管控都需综合考虑。除湿机组尽量选择市场知名度较高的品牌,车间隔墙天花严格施工工艺,门窗采用定制成型密闭型,风管采用角铁法兰,注液等低湿度区域采用不锈钢风管。空调部分的控制建议采用PLC控制,为便于操作使用整合安装于各空调控制柜上。

       有投资预算的企业还可以采用中央控制,集中监视。五、工艺管道 锂电池生产过程需要冷却水、压缩空气、氮气、真空、给排水、排气等。根据设备需求,统计整体用量,确定设备型号及安装位置,根据生产设备布局及需求量布置管道走向。需要注意的气管部分是由于厂区面积大,管路损耗大,需要考虑在远端增加储气罐及环管。真空设备及管路部分需要区分电解液区域及普通区域。

       局部会有很多亚克力微环境结构,以便节能降耗。

重点关注问题:

       1.净化空调风管必须用法兰连接,1%相对湿度区域的送回风管采用不锈钢管,焊接连接,为满足风量泄漏量及密封要求,应按照高压系统施工。在相对湿度小于10%的区域的镀锌钢板厚度干管应采用风管厚度1.2mm。在法兰铆钉处及其他风管连接处打密封胶,保证风管的允许漏风量不大于1.64m3 /(h*m2 )

       2.转轮除湿机组 再热采用蒸汽, 带热回收装置,可节省制热量;

       3.空调风机、排风机采用变频风机,可根据实际所需风量调节电能消耗,节省电能;

       4.空调系统风管、水管均严格保温,减少热量损失;

       5.空调系统均设有温湿度自动控制系统(DDC),精确控制温湿度,节省了冷热量;

       6.空调新风量设计满足每人不小于40m3/h的工业卫生标准,保证生产区人员工作环境要求;

       7.风冷热泵机组采用环保冷媒R407C,减少环境污染。

       8.冷热源由水冷螺杆/离心机组或设置在屋顶上的一体式一体化双冷高效冷水机组提供,冷冻水为7/12°c,热水为45/40°c。,一台为热泵机组,冬季可制热;冷水机组还提供设备工艺冷冻水设置一套板式换热器,与冷冻水进行交换得到20/35°c的冷却水为空压机降温,配两台水泵,一用一备。智能补水定压综合水处理装置放在屋面上,接至冷却水回水管,为冷却水系统定压补水。

       9.锂电池厂的气体需求一般为压缩空气(无油的)、氮气(99.99%或99.999%)、真空、具体要求视工艺设备需求,管道可采用比锈钢管或铝合金管道、阀门采用不锈钢球阀或蝶阀。

       10.给排水除了工艺冷却水需求之外,还需要纯水。

六、电气

       锂电洁净厂房生产设备及空调等辅助设备较多,用电功率大。电房布置及变压器大小选择需考虑整体用电负荷。供电分区、桥架走向、分级控制等为便于后期维护使用及用电安全需综合考虑。 很多锂电池厂优先靠近电厂等,这样成本优势就很大。

       电柜断路器及电缆建议使用市场知名度较高的品牌,电线电缆均采用阻燃型,穿线管采用镀锌线管。照明部分建议采用LED光源,车间部分照度控制在250Lux至300Lux左右照度,仓库及设备房100Lux左右照度,应急照明按消防规范及房间布局安装,并考虑其它检修照明及检修插座等。 灯具一定要避让我们的设备,很多设计灯具没有避让工艺设备。

七、总结

       由于电池生产环境要求的严苛,需充分考虑设计的完整和合理性、施工工艺的严格管控、节能、生产工艺及投资预算,兼顾平衡,确保锂电洁净厂房的顺利建设投产。

八、其它相关资料

       锂电池目前被广泛应用于各类数码产品 , 受国家产业政策支持的电动汽车 、电动自行车等发展较快 ,动力锂电成为锂电池的潜力领域 。 然而其制造过程极为严苛 ,需要非常干燥的环境 ,通常要求环境空气露点温度达到-40℃以下。 锂电池类的制造过程有着极为严苛的生产环境要求 , 因此在设计 、施工过程中任何一部分出现偏差都会给整个系统带来损失 。另外 ,为了对液晶 、有机发光显示屏等新型电子元件的高性能化进行研究 ,或为了提高生产效率 、降低生产成本等常常需要在超低露点(-85℃)以下环境中生产 。因此 ,随着各种高性能电子元件的开发 、制造过程的实用化 ,对超低露点干燥空气环境的需求会越来越多。

       常用的超低露点环境是利用吸附技术对空气中的水分进行吸附除湿 ,获得干燥空气 。而采用硅胶或分子筛吸附除湿的方式已经逐步成为主流,吸附式除湿装置又可以分为吸附塔式和转轮式吸附除湿机2种 。转轮式除湿技术已被国内企业接受和掌握 ,并取得了长足的发展 ,在核心部件采用进口除湿转轮的基础上 ,已完全能够胜任锂电池生产过程中所要求的低露点和超低露点湿度控制 ,并成为代表技术被各个行业所采用。

锂电池洁净厂房设计方案

1、现行超低露点空调除湿系统存在的主要问题

1.1现行超低露点空调除湿系统流程

       合景净化工程公司www.hejiejh.com以锂电池干燥房的露点温度要求 (-50℃) 为例。 在空气处理过程中 , 空气处理系统分为2个子系统 : 工作间空气处理系统和转轮再生空气处理系统 。

       工作间空气处理流程 : 室外新风 A 经初效过滤后进入前表冷器一 , 通过冷却除湿得到低温饱和湿空气 B, 经一级转轮除湿至 C 工况 , 再与室内回风 H1 混合至 D 工况 , 经过前表冷器二降温后得到 E, 其中大部分空气进入二级转轮进行深度除湿 , 得到低露点空气 F, 再经后表冷器和中效过滤器至 G 工况后送至工作间 。

       转轮再生空气处理流程 :① 一级转轮再生系统的再生空气来自二级转轮再生空气的排气 , 具体在二级转轮再生系统中陈述 。② 由于室外空气含湿量较高 , 尽管加热后 , 其水蒸气分压力降低 , 但仍高于二级转轮再生段吸湿剂的水蒸气分压力 , 不能满足二级转轮再生气体的含湿量要求 。 因此 , 采用相对干燥的空气进行转轮再生才能克服这个难题 。 所以 , 在二级转轮再生系统中 , 二级转轮再生气体采用了经一级转轮处理与室内回风混合并经除湿的干燥空气 E1( 含湿量为 0.44g/kg 干空气 ), 经二级转轮冷却后至 J 工况 , 空气中的含湿量变为约 1g/kg 干空气 。 在电加热的作用下 , 该气体温度升高至 K 工况 , 空气中的水蒸气分压力降低 , 并将其用于二级转轮的再生 , 空气状态变为 L。 尽管经过二级转轮的再生使用 , 该空气与室外新风比较还是相对干燥的 , 将二级转轮再生空气的部分排气加热至 M 工况后 , 用于一级转轮的再生空气 , 从而提高了一级转轮处理空气的能力 。

1.2 运行过程中存在的主要问题

       1) 现行超低露点除湿系统通常采用一级和二级转轮串联方式 。 需要干燥的空气除了一部分作为新风进入工作间 , 还有一大部分作为二级转轮的再生空气 [5]。 因此 , 一级转轮的空气处理量较大 , 运行成本较高 。

       2) 由于各级除湿转轮均配有再生加热器 , 且为了保证除湿效果 , 经计算一级转轮的再生温度需要 110℃, 二级转轮的再生温度需要 140℃, 在系统运行时会消耗大量的再生能源 。

       3) 由于锂电池生产环境要求极为苛刻 , 任何一部分设计 、 施工出现偏差 , 都会给整个系统带来难以估量的损失 。 现行转轮除湿系统较为复杂 , 导致存在装置大型化 、 设备投资高 、 控制点多 、 运行调试较复杂等问题 。

2、新型超低露点空调除湿系统构成及特点

2.1新型超低露点空调除湿系统流程

       新型超低露点空调除湿系统流程如图 2 所示 。 整个空气处理系统分为 2 个子系统 , 但是 2 个子系统相对较为独立 。

       工作间空气处理流程 : 室外新风经过转轮再生系统表冷器除湿后 (D2 状态点 , 具体在转轮再生空气处理系统中陈述 ) 与回风 J1 以及 G1 经转轮预冷后的空气混合至 F 点工况 。 此时 F 工况空气的含湿量已经很低 , 经过中效过滤器和表冷器后至 G 工况 , 一部分 (G1) 经过转轮预冷段和经除湿处理后的新风 D2 混合 , 另一部分 G2 进入二级转轮进行深度除湿至工况 H, 然后经过表冷器达到送风状态点 I 后进入工作间 。 转轮再生空气处理流程 : 室外新风 A1 经过初效过滤器和表冷器后至 B 工况 , 与经过二级转轮再生后的空气混合至 B1, 经过表冷器后进入一级转轮至 D 工况 , 其中一部分空气作为新风 D2 与工作间的回风混合 , 另一部分空气 D1 被加热之后用于二级转轮的再生至工况E, 此时空气较室外空气相对干燥 。 为了节能 , 将其经过显热换热器后与处理的新风 B 混合 , 再经过表冷器后进入一级转轮进行除湿处理 , 如此循环 。

2.2新型超低露点空调除湿系统特点

       1) 系统运行稳定后 , 室外空气处理量就是工作间所需的新风量 。 因此 , 无论是二级转轮还是一级转轮的除湿量都大大减少 。 新风量对整个系统的冲击较小 , 工作间的湿度得到较好控制 。

       2) 经过计算得出 , 一级转轮再生温度需要 100℃, 二级转轮的再生温度则是 80℃, 较现行系统的再生温度大大降低 , 减少了转轮再生能耗 , 运行过程中节能降耗非常显著 。 二级转轮的使用寿命得到延长 , 并为以后利用低温热源创造了有利条件 。 若与高温热泵结合在一起 , 将进一步提升新型系统的节能效果 。

       3) 由于一级转轮和二级转轮相对独立 , 系统调试较为简单 , 且实际运行过程中由于二级转轮的除湿量极少 , 且较低的再生温度使二级转轮的使用寿命得到延长 ( 其价格在整机中比重较大 ), 后期的维护费用相应降低 。洁净车间www.hejiejh.com

3、改造前后系统运行状态和节能性比较

       以无锡新区某日资企业锂电池的转轮除湿空调系统改造项目为例 。 由于除湿转轮使用寿命和除湿效率的下降 ,导致原有空调除湿系统 无法满足工作间送风参数 ,故对该系统进行节能改造。所需干燥空气送风量为5000m3/h,露点温度为-50℃。 

       2014年一级转轮和二级转轮空气再生加热温度的月平均值。可以看出,二级转轮再生加热温度全年稳定, 年平均温度是101.5℃。一级转轮再生加热月平均温度在5月和6月较高, 最高值6月份达到105.5℃。这是由于无锡5月和 6月室外空气相对湿度较大 ,而一级转轮再生用的就是室外新风 , 因此再生加热温度较高。 但总体较为稳定 , 年平均温度是101.5 ℃。新风全年 空气状态参数的变化对整个系统的影响较小,工作间的湿度控制较好 。 实际使用时考虑留有一些安全裕量 ,一级转轮再生温度设定为102℃,二级转轮的再生温度为82℃,工作间空气露点的实测平均值达到-59.6℃,满足要求 。新型除湿系统能耗由额定工况参数 算出,与现行除湿系统的能耗比较结果在表3中给出。可以看出,新型除湿系统总冷负荷与现行系统相当 ,但总热负荷比现行除湿系统降低约46.7%,大大节约了除湿转轮的再生能耗。

4、结论

       笔者对新开发的超低露点空调除湿系统的系统构成 、 操作条件 、 节能性能等进行研究 , 得出以 下结论 :

       1) 新型转轮除湿系统中经过一级转轮的空气量就是工作间所需的新风量 , 使得一级转轮的转轮规格比改良前系统小 , 在前期的设备投入方面节省了部分费用 。

       2) 新型转轮除湿系统中二级转轮和一级转轮的再生温度较改良前系统大大降低 , 这使得二级转轮的使用寿命得到延长 , 并为以后利用低温热源创造了有利条件 。 较低的再生温度可以节省转轮再生能耗 , 运行过程中节能降耗显著 。

       3) 一级转轮和二级转轮相对独立 , 使得新型转轮除湿系统调试较为简单 。

       4) 考虑到节约能耗和降低成本的要求 , 还需要结合现场的生产工艺通盘考虑 , 为后期生产建没提供有益的帮助 。