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(jī)關(guān)事務(wù)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(jī)，等等。但作為元素周期表中排列第一的金屬元素鋰，其化學(xué)活潑性極其強(qiáng)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(yán)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［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(zhǔn)確表達(dá)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(yīng)≤-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(zhì)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(guān)鍵——除濕

按照GB 51377-2019《鋰離子電池工廠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［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(yīng)滿足生產(chǎn)工藝要求。當(dāng)工藝無特殊要求時，溫濕度應(yīng)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(zhuǎn)）和除濕量大的機(jī)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(jìn)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［1］，干燥房應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的濕負(fù)荷計算，且散濕量應(yīng)包括如下內(nèi)容：

(1)人體散濕量；

(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(fēng)帶入的濕量。

在上述7項散濕量中，新風(fēng)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(jī)在工作時通過對空氣中的水蒸氣進(jìn)行液化的過程降低空氣中的水蒸氣含量。冷凍除濕機(jī)的外循環(huán)，分為三個過程：第一個過程是通過風(fēng)機(jī)把空間里的常溫潮濕空氣吸進(jìn)機(jī)器。第二個過程是將吸進(jìn)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(fēng)口排出，如此周而往復(fù)，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(zhuǎn)化的過程。

2）轉(zhuǎn)輪除濕：在運行除濕系統(tǒng)過程中，除濕機(jī)啟動后利用電動馬達(dá)帶動吸附式轉(zhuǎn)輪在固定軸線上緩緩運行進(jìn)行轉(zhuǎn)圈，轉(zhuǎn)輪在運動中吸收由前端進(jìn)入機(jī)組空氣中的水分達(dá)到給空氣脫水的效果，一旦轉(zhuǎn)輪扇片中的水分吸附到飽和狀態(tài)后，再通過除濕機(jī)組的再生排熱段利用高溫氣體進(jìn)行脫水再生恢復(fù)到干燥狀態(tài)，然后再次重復(fù)以上的運行，最后經(jīng)過干燥達(dá)到生產(chǎn)要求空氣再經(jīng)表冷段進(jìn)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(xì)管（帶有吸附力）將水分吸附在固體吸濕劑上達(dá)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(dāng)處理較大水分時需要較大的吸附面積，導(dǎo)致設(shè)備也隨之變大，不便于設(shè)備的就位和安裝，同時造價也相應(yīng)地很高［2］。

4）空氣壓縮除濕：空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)后對空氣進(jìn)行降溫壓縮，分離出空氣中所含的水分，缺點是設(shè)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(shè)備較大，設(shè)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(shè)備體積、效率、運行時長和經(jīng)濟(jì)性，國內(nèi)的鋰電池生產(chǎn)企業(yè)幾乎一致地選擇了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪除濕機(jī)處理后的空氣低溫露點達(dá)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(shè)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(zhuǎn)輪除濕。自20世紀(jì)70年代浙江造紙研究所成功研發(fā)首臺氯化鋰除濕轉(zhuǎn)輪至今，轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)已在中國成長30余年，但遺憾的是氯化鋰轉(zhuǎn)輪吸濕無論在性能、壽命、強(qiáng)度等方面表現(xiàn)都不盡如人意，已被淘汰。盡管如此，轉(zhuǎn)輪除濕技術(shù)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(zhuǎn)輪采用進(jìn)口的基礎(chǔ)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(fēng)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(dá)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(dá)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(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)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(yīng)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(shè)備［3］”的規(guī)定，要求廠房建設(shè)空調(diào)機(jī)組都必須帶有除濕段，除濕空調(diào)機(jī)組是降低環(huán)境露點的關(guān)鍵設(shè)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(guān)鍵性工藝過程采用了轉(zhuǎn)輪式熱回收新風(fēng)機(jī)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(fēng)直流系統(tǒng)。設(shè)定一臺轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的再生風(fēng)量為1 000 m3/h，露點溫度tl=-61℃為目標(biāo)，計算適合該廠房干燥房使用的新風(fēng)機(jī)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）?？諝馓幚磉^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(xué)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(zhuǎn)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(guān)鍵性工藝過程采用了兩級冷凍除濕和兩級轉(zhuǎn)輪除濕，將新風(fēng)處理到露點溫度tl=-61℃，完全滿足工藝要求。整個空氣處理機(jī)組工作組成及原理如下：

(1)除濕機(jī)組的組成分為：新風(fēng)進(jìn)口→初效→表冷段→第一級轉(zhuǎn)輪→中表冷器→第二級轉(zhuǎn)輪→后表冷器（后加熱）。

(2)除濕機(jī)組原理：全新風(fēng)空調(diào)機(jī)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(jī)組，其蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)方式為全部新風(fēng)，潮濕的空氣從進(jìn)風(fēng)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(yīng)激反應(yīng)）進(jìn)入到除濕轉(zhuǎn)輪段（第一級）處理區(qū)域，此時空氣所含水分子會被轉(zhuǎn)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(jìn)入到除濕轉(zhuǎn)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(fēng)管進(jìn)入生產(chǎn)車間。從而周而復(fù)始地循環(huán)，最終達(dá)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(zhuǎn)輪除濕，完全有可能制取超低露點溫度（-60℃以下）的空氣，達(dá)到鋰電池生產(chǎn)對環(huán)境的要求［7］。

6 轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的節(jié)能

換熱效率是熱回收裝置的重要指標(biāo)，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(zhuǎn)輪除濕機(jī)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(zhuǎn)輪除濕機(jī)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(jìn)行回收利用，給再生新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱處理，從而降低再生新風(fēng)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(jì)性還與其他許多因素有關(guān)，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(shè)備的運行效率等，影響因素比較復(fù)雜。

7 結(jié)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(shè)置廠房干燥房及除濕設(shè)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(jìn)行計算，根據(jù)工藝過程的計算數(shù)據(jù)，按1 000 m3/h風(fēng)量和模塊，可以選擇相對應(yīng)的制冷機(jī)組、風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)等機(jī)電設(shè)備。

2）二級冷凍降溫除濕和二級轉(zhuǎn)輪除濕，完全有可能制取超低露點溫度（-60℃以下）的空氣，達(dá)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?fù)P塵源、機(jī)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(shè)備等都對改善全球氣候，促進(jìn)碳達(dá)峰碳中和十分有益。