鉛酸蓄電池生產(chǎn)過程中的廢氣處理

路俊斗，郎小川，李建光

（安徽理士電源技術(shù)有限公司，安徽 淮北 235100）

0 前言

近十多年來，隨著全民環(huán)境保護意識的逐步提高，鉛酸蓄電池產(chǎn)業(yè)存在的環(huán)境污染風險受到全社會的廣泛關注，為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)，行業(yè)內(nèi)企業(yè)越來越重視環(huán)境保護和職業(yè)衛(wèi)生狀況的改善。鉛是鉛酸蓄電池的主要原材料，其質(zhì)量占電池總質(zhì)量的 70%左右，鉛是高毒性物質(zhì)，鉛蓄電池生產(chǎn)過程存在著較高的鉛污染風險；鉛酸蓄電池以硫酸為電解質(zhì)，因此生產(chǎn)過程中還存在酸污染的風險[1]。鉛蓄電池生產(chǎn)過程中可能擴散到大氣中的主要污染物包括鉛煙、鉛塵、硫酸霧等，管理和處理不當會對環(huán)境造成污染，對人體健康產(chǎn)生危害。因此需要嚴格控制污染源及其擴散途徑，從污染物的源頭開始，組織氣流經(jīng)專用環(huán)保設備處理后，達到相應的職業(yè)衛(wèi)生標準和污染物排放標準之后再進行排放。

1 鉛煙、鉛塵、硫酸霧的定義[1]

1.1 鉛煙

熔融狀態(tài)的鉛具有一定的揮發(fā)性，鉛液表面會有少量鉛以蒸氣形式進入空氣中 ，隨即被空氣中的氧氣氧化為氧化鉛，形成細小的微粒，其直徑小于等于 0.1 μm。此細小的含鉛微粒稱為鉛煙。

1.2 鉛塵

鉛塵是指在鉛蓄電池生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的漂浮于空氣中的含鉛固體微粒，其直徑大于 0.1 μm。

1.3 硫酸霧

硫酸霧通常指懸浮于空氣中微小的含硫酸液滴。由于硫酸不易揮發(fā)，在鉛酸蓄電池生產(chǎn)工藝條件下，不具備通過蒸發(fā)—凝結(jié)途徑形成硫酸霧的條件。但是在化成或電池充電過程中，會有電解水的副反應發(fā)生，電解水產(chǎn)生的氣體從硫酸電解液中逸出形成氣泡，氣泡的液態(tài)膜是硫酸，即使破裂，形成的液滴也非常微小，可在空氣中懸浮，形成硫酸霧。

2 蓄電池生產(chǎn)過程中污染源分析

2.1 極板生產(chǎn)工序

2.1.1 鉛粉制造工序

鉛粉制造有氣相氧化法和球磨法兩種，目前國內(nèi)大部分企業(yè)采用球磨法。球磨法鉛粉制造設備主要由溶鉛爐、造粒機、鉛粉機、鉛粉輸送裝置、集粉器、儲粉倉等組成。過去鉛粉制造是鉛蓄電池行業(yè)產(chǎn)生鉛煙、鉛塵污染的主要工序。近幾年來，隨著企業(yè)對設備機械化、自動化和環(huán)保要求的逐步提高，一些較先進的密閉式全自動鉛粉制造系統(tǒng)相繼在行業(yè)中推廣應用，冷切機的采用更是減少了在鑄粒時產(chǎn)生的鉛煙和鉛渣，整個系統(tǒng)更密閉，鉛粉制造過程中鉛的污染得到了有效的控制。目前在鉛粉制造工序，污染源主要來自經(jīng)集粉器過濾布袋排除的含鉛塵廢氣。

2.1.2 板柵鑄造工序

板柵生產(chǎn)的方式主要有兩種，一種是澆鑄板柵，另一種是連續(xù)板柵。按制造技術(shù)可分為重力鑄造、連續(xù)鑄造、拉網(wǎng)和沖壓等。傳統(tǒng)的澆鑄板柵工藝主要采用的是重力澆鑄的方式，并且由傳統(tǒng)的一鍋一機大多改為了一鍋多機集中供鉛系統(tǒng)。無論以哪種方式生產(chǎn)，在合金熔化過程中都會產(chǎn)生鉛煙和鉛渣，重力澆鑄時在澆注口也產(chǎn)生鉛煙。

2.1.3 和膏工序

鉛膏是由一定氧化度和表觀密度的鉛粉和水、稀硫酸以及添加劑通過機械攪拌混合并發(fā)生物理、化學變化而制成的可塑性膏狀混合物。含有氧化鉛、堿式硫酸鉛、金屬鉛、氫氧化鉛、水和添加劑。近幾年來，隨著環(huán)保要求和設備自動化要求的提高，大部分企業(yè)使用了自動加酸、自動加水、自動加料的密閉式和膏機。但在和膏過程中，仍然會產(chǎn)生少量鉛塵和酸霧等混合類氣體，同時會產(chǎn)生一些廢鉛膏和沖洗設備的含鉛廢水。真空和膏機密封可靠，隨著其國產(chǎn)化，未來一旦成熟推廣，和膏工序可能不再產(chǎn)生污染。

2.1.4 分刷板工序

分刷板是將多片連在一起的極板分成單片，或者把單片極板的工藝極耳去除，然后把極耳上的鉛膏或邊框上的毛刺清理干凈的過程，極板四邊及四角不能有尖棱或細尖毛邊，以免造成蓄電池短路。極耳必須清潔干凈，露出金屬光澤，便于焊接。該工序產(chǎn)生含鉛粉塵和含鉛固體廢料。

2.2 電池組裝工序

2.2.1 配組工序

配組是將正負極板和隔板按照規(guī)定的片數(shù)疊放在一起的過程。配組分手工配組和自動包板配組，手工配組由于生產(chǎn)效率低，勞動強度大，污染比較嚴重，已經(jīng)逐步被自動配組代替。自動配組機實現(xiàn)了包板、疊片的自動化作業(yè)。無論是手工配組還是自動配組，該工序都產(chǎn)生含鉛粉塵。但是采用自動配組方式時，由于實現(xiàn)了包板、疊片在封閉的設備內(nèi)進行，更有利于鉛塵的收集和處理，改善了作業(yè)環(huán)境。

2.2.2 極群焊接工序

通過匯流排將多片同性極板與極柱焊接起來就是極群，正極群和負極群配到一起形成極群組。極群焊接分為手工焊接和機械自動焊接兩類，機械自動焊接又分為自動燒焊和自動鑄焊兩種。手工燒焊和機械自動燒焊都是利用可燃性氣體與氧氣混合燃燒的火焰所產(chǎn)生的高溫通過熔化焊條和極耳而實現(xiàn)金屬連接的一種熔焊方法，在焊接過程中會產(chǎn)生大量的鉛煙，污染環(huán)境。鑄焊是把配組完成后極群的板耳倒插入裝有熔融鉛的鑄焊模具中，冷卻后將極耳熔焊在一起。該工序主要產(chǎn)生鉛煙和鉛渣。

2.2.3 極群入槽工序

極群入槽就是把組焊完成的極群組按規(guī)定的方向和位置裝入電池槽內(nèi)部的過程。本工序主要產(chǎn)生含鉛粉塵。

2.2.4 單體連接和焊端子工序

極群正確入槽后，為實現(xiàn)串聯(lián)成不同的額定電壓并且端子極性無誤的蓄電池組。單格之間的連接一般采用穿壁焊焊接和跨橋焊接，無論是哪種焊接，都會產(chǎn)生鉛煙。焊端子工序主要是通過燒焊把鉛套和端子焊接在一起，同時起到一定的密封作用。該工序產(chǎn)生的污染物主要是鉛煙。

2.3 加酸、充電工序

加酸過程就是將一定密度的稀硫酸加入電池內(nèi)部的過程。電池加酸靜置后給電池充電。在充電過程中會產(chǎn)生少量的硫酸霧，硫酸霧的形成機理主要有兩種，一種是酸液表面蒸發(fā)，硫酸分子進入空氣，與空氣中的水分凝結(jié)而形成硫酸霧滴，另一種是硫酸溶液內(nèi)有化學反應，形成氣泡上浮到液面后爆破，將小液滴帶出。

3 蓄電池生產(chǎn)過程廢氣處理

3.1 鉛粉制造

鉛酸蓄電池涉及的“鉛粉”通常是指微小顆粒的 PbO 與 Pb 的混合物，是一種表面覆蓋氧化鉛的金屬鉛顆粒粉狀物，它是有純鉛在鉛粉機中經(jīng)過特定的熱氧化過程而形成的，鉛粉顆粒的平均直徑一般為 50 μm 左右[2]。一般來說，鉛粉制造工序產(chǎn)生的鉛塵粒徑較大，宜采用干式過濾的方式處理[3]，例如布袋加濾筒二級過濾，主要處理工藝流程見圖1。

圖1 鉛粉制造工序廢氣處理流程圖

3.2 鑄板工序

圖2 鑄板工序廢氣處理流程圖

鑄板工序的處理工藝流程如圖2所示。該工序主要產(chǎn)生鉛煙，由于產(chǎn)生的鉛煙含油容易堵塞濾材，并且有時會帶入火花，容易燒壞濾材，再加上鉛煙粒徑較小，不建議采用干式過濾，宜采用濕式二級處理。

3.3 和膏工序

由于在和膏過程中，會產(chǎn)生少量鉛塵和酸霧等混合類氣體，并且廢氣濕度較大，所以行業(yè)內(nèi)一般采用濕式二級除塵方式，具體處理工藝流程如圖3所示。

圖3 和膏工序廢氣處理流程圖

3.4 分刷板工序

分刷板過程產(chǎn)生大量的含鉛粉塵，是蓄電池生產(chǎn)過程中鉛粉塵污染最嚴重的工序之一，嚴重危害職工的健康。由于分板產(chǎn)生的鉛粉塵粒徑較大，再加上為有效收集粉塵，一般設計風量較大，風速較高，所以如果第一級使用濾筒，很容易把濾筒穿破，影響除塵效果[4]，所以建議第一級采用布袋除塵方式，第二級采用高效方框過濾，處理工藝流程見圖4。

圖4 分刷板工序廢氣處理流程圖

3.5 組裝工序

電池組裝過程中在包板工序產(chǎn)生鉛塵，在燒焊匯流排和跨橋焊接工序產(chǎn)生鉛煙，具體處理工藝流程見圖5。由于組裝工序產(chǎn)生的鉛煙不含油和火星，所以經(jīng)集氣罩收集后，采用濾筒除塵器加高效過濾器進行處理含鉛廢氣。

圖5 組裝工序廢氣處理流程圖

3.6 充電工序

電池在充放電過程中必然會產(chǎn)生硫酸霧。硫酸霧的處理方式一般采取物理捕捉與堿噴淋相結(jié)合的二級處理系統(tǒng)。物理捕捉就是在廢氣通過的路徑上，設置大面積固體表面（如多層濾網(wǎng)），液滴碰到濾網(wǎng)時被捕集，缺點是漏網(wǎng)概率較高。堿噴淋就是在堿液吸收塔中，液體在比表面積很大的填料層中流過，形成眾多形狀和排列方向都不規(guī)則的液膜，廢氣在填料層中通過時，霧滴與液膜一旦接觸，就被捕集，從廢氣中分離出來，填料層越密、越厚，流過填料層的液體對填料層的浸潤越充分，廢氣中液滴漏捕概率越低，但阻力會隨之增大。因此，應根據(jù)實際實際情況選擇填料規(guī)格、填料層厚度及下行液體流量等參數(shù)。另外，連續(xù)填料層厚度過大，液體下行穿過填料層時易產(chǎn)生偏流。采取多層填料的結(jié)購，可以解決液體偏流的問題。硫酸霧處理工藝流程見圖6。

圖6 充電工序廢氣處理流程圖

4 廢氣的形成與傳輸

前面講到了廢氣的產(chǎn)生和處理方式，那么怎樣組織廢氣，使廢氣有組織的進行傳輸呢？面對這個問題，我們需要做好兩件事：①組織氣流，形成廢氣；②將污染物從廢氣中分離出來，讓凈化后的空氣排放到大氣中。

組織氣流的目的是避免含有污染物的氣體在車間內(nèi)擴散，危害身體健康。組織氣流的手段：從產(chǎn)生污染物的源頭開始，給予含污染物的氣體以動力，用物理隔離的方法（通風管道）將其控制在指定范圍內(nèi)，令其沿指定的方向運動。組織氣流的結(jié)果是，污染物與大量氣體混合，形成廢氣。

為組織氣流提供動力的設備稱之為風機。這些氣體所需要的能量包括：自身的動能，克服通風管道及分離污染物與氣體的設備所產(chǎn)生的阻力所需能量。也就是說，空氣要順利完成污染物收集—管道輸送—污染物分離—達標排放這一過程，必須從風機獲得足夠的能量。風機一般由電機拖動，經(jīng)過電機—風機—氣體能量這一系列能量轉(zhuǎn)換。在風機選型基本合理的情況下，總的轉(zhuǎn)換效率一般為 70%左右[5]。

例如：某廢氣處理系統(tǒng)，空氣密度 1.2 kg/m3，流量 30000 m3/h，最高風速為 22 m/s，通風管道阻力壓強為 1300 Pa，污染物分離設備的阻力壓強1100 Pa。為該系統(tǒng)選一臺合適的風機，并匹配合適的電機。

首先計算每立方米空氣的動能：

根據(jù)單位換算，可知 290 J = 290 N·m = 290(Pa·m2)·m= 290 Pa·m3，所以每立方米空氣的動壓為290 Pa。系統(tǒng)所需風機全壓為動壓、通風管道阻力壓強和污染物分離設備阻力壓強的總和，即：

根據(jù)計算出的風機全壓值選擇 4–72 型離心通風機，機號 No.8（表示葉輪直徑 800 mm），傳動方式 C（表示帶輪傳動），轉(zhuǎn)速 1800 r/min，性能曲線見圖7。

圖7 4–72–8C 離心風機 1800 r/min 性能曲線

從圖7性能曲線上可以看出，該風機在流量30 000 m3/h 時，全壓 2800 Pa，略大于系統(tǒng)所需的2690 Pa，能滿足要求。接著，估算該風機需要匹配多大功率的電機。

空氣獲得能量的功率為：

如果風機效率為 70%，則需要電機輸出軸功率為：

根據(jù)電機型譜，若使電機功率不小于 33.3 kW，該風機最小應匹配 37 kW 的電機。輸出軸功率 33.3 kW，按電機效率 95%計，該電機耗電（有功）功率為：

3 結(jié)論

防止污染物的擴散，必須要有效地控制污染源，設計合理的通風管道（風速、流量等），選擇合理的風機（風量、全壓）和電機（轉(zhuǎn)速和功率），根據(jù)不同的污染物，選擇合理的除塵方式，做到污染源可控，污染物可有效收集和處理，最終達標排放。

[1] 環(huán)境保護部.鉛蓄電池行業(yè)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)察指南（試行）(環(huán)辦[2011]122號).2011–09.

[2] 王金良, 胡信國, 等.鉛蓄電池行業(yè)準入實施技術(shù)指南[M].北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2012.

[3] 國家環(huán)境保護總局.HJ/T327–2006 環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求 袋式除塵器 濾袋[S].

[4] JB/T10341–2002 濾筒式除塵器[S].

[5] 續(xù)魁昌.風機手冊[M].北京: 機械工業(yè)出版社,1999.