新能源電池切片及組件尾氣治理系統(tǒng)運(yùn)用

晉剛

上海盛劍環(huán)境系統(tǒng)科技股份有限公司 （上海 201800）

關(guān)鍵字 電池切片 組件 廢氣治理

在全球“碳中和”背景下，以電池技術(shù)為核心的新型電池可再生能源已成為主要能源。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，擺脫以煤發(fā)電、核動(dòng)力發(fā)電為主的能源結(jié)構(gòu)，已成為行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。在新型能源電池切片及組件生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生酸性氣體、堿性氣體、氮氧化物氣體、有機(jī)氣體、硅烷氣體、熱排氣體等尾氣。這些有毒有害氣體如果直接排入大氣，會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大的危害。因此，合理有效地治理這些尾氣至關(guān)重要，不僅可以節(jié)能減排，還可以降本增效。

1 項(xiàng)目背景

在太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)工序中，制絨、擴(kuò)散、激光制備（SE）、熱氧、背面場(chǎng)硅片（BSG）+堿拋、熱交聯(lián)（PE-POLY）、退火、晶體宏梁硅電池制造工藝（RCA）、原子層氣相沉積（ALD）、背膜、正膜、金屬化及附屬設(shè)備產(chǎn)生的酸性氣體、堿性氣體、氮氧化物氣體、有機(jī)氣體、硅烷氣體、熱排氣體等，含有氟化物、氯化氫、氯氣（Cl2）、氮氧化物（NOx）、五氧化二磷（P2O5）、甲硅烷（SiH4）、氨氣（NH3）、乙醇、異丙醇等。該廢氣風(fēng)量體量大，每小時(shí)流量在數(shù)十萬(wàn)到幾百萬(wàn)立方米之間；濃度較低，ρ（HF）≤120 mg/m3、ρ（Cl2）≤50 mg/m3、ρ（HCl）≤150 mg/m3、ρ（SO2）≤70 mg/m3、ρ（NO2）≤400 mg/m3、ρ（NO）≤100 mg/m3、ρ（NH3）≤70 mg/m3、ρ （SiH4）≤150 mg/m3、ρ （VOCs）≤300 mg/m3。該尾氣中有害氣體的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)超出國(guó)家和行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，如果直接排入大氣，對(duì)環(huán)境破壞巨大。因此，合理的廢氣處理設(shè)計(jì)和規(guī)劃至關(guān)重要。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

廢氣處理后最低需達(dá)到GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》及環(huán)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)GB 30484—2013《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，新建電池企業(yè)大氣污染物濃度限值要求如表1 所示。

表1 排放各污染源濃度限值mg/m3

NH3執(zhí)行GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，具體如表2 所示。

3 廢氣處理流程及方案

3.1 酸性廢氣

酸性氣體處理流程為：機(jī)臺(tái)廢氣→防火閥→閥門(mén)→集管→堿性洗滌塔→集管→閥門(mén)→風(fēng)機(jī)→止回閥→煙囪。

廢氣通過(guò)雙級(jí)洗滌塔吸收，洗滌塔采用N+1 結(jié)構(gòu)模式。由于酸性排氣系統(tǒng)中主要含有氟化物、HCl及H2SO4等物質(zhì)，需要添加堿性中和液來(lái)去除；洗滌塔選擇添加NaOH 溶液。利用化學(xué)中和的原理去除酸性排氣系統(tǒng)中所含的酸性物質(zhì)，處理后的達(dá)標(biāo)氣體在風(fēng)機(jī)的牽引作用下沿?zé)焽枧胖链髿庵?。系統(tǒng)均設(shè)置有備機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)熱備運(yùn)行（即N+1 運(yùn)行），當(dāng)1 套設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)其余設(shè)備根據(jù)壓差傳感器負(fù)壓值進(jìn)行自動(dòng)加載運(yùn)行以保證系統(tǒng)穩(wěn)定?？删庉嬤壿嬁刂破鳎≒LC）通過(guò)集管負(fù)壓值比例、積分、微分（PID）調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，以保證整個(gè)系統(tǒng)在負(fù)壓允許范圍內(nèi)波動(dòng)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

洗滌塔內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)包括：

洗滌塔使氣體從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為化學(xué)吸附。洗滌塔內(nèi)部的填充物使這一轉(zhuǎn)化效率大大提高。填充物不但增大了氣液混合物的接觸面積，同時(shí)不斷破壞水滴，使新形成的水滴表面總是暴露于空氣中，從而極大地提高了吸附效率。洗滌液的酸堿度通過(guò)加藥設(shè)施得以精確控制，使得廢氣中可溶的部分被洗滌液吸附，轉(zhuǎn)化成中性液體并排放出洗滌塔。

3.2 堿性廢氣

堿性廢氣的處理流程為：機(jī)臺(tái)廢氣→防火閥→閥門(mén)→集管→酸性洗滌塔→集管→閥門(mén)→風(fēng)機(jī)→止回閥→煙囪。

由于堿性排氣系統(tǒng)廢氣中主要含有氨氣等堿性物質(zhì)，因此需要添加酸性中和液來(lái)去除；洗滌塔選擇添加H2SO4溶液。利用化學(xué)中和的原理去除堿性排氣系統(tǒng)中所含的堿性物質(zhì)，處理后的達(dá)標(biāo)氣體在風(fēng)機(jī)的牽引作用下沿?zé)焽枧胖链髿庵?。系統(tǒng)設(shè)置有備機(jī)，運(yùn)行方式與3.1 中洗滌塔相同。

洗滌塔內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

3.3 氮氧化物廢氣

氮氧化物廢氣處理系統(tǒng)流程分為3 個(gè)階段：中和、氧化（將NO 氧化成為NO2后進(jìn)入后續(xù)階段）和還原（將NO2還原成N2后排放）。

3.3.1 中和階段

中和階段添加NaOH 溶液，其與NO2反應(yīng)生成鈉鹽，反應(yīng)式為：

3.3.2 氧化階段

氧化階段添加NaClO2，H2SO4溶液，將NO 氧化成NO2。主要化學(xué)方程式：

加藥階段：H2SO4的加入量應(yīng)使pH 保持在4～5之間，NaClO2的加入量應(yīng)保證處理后的NO 含量在理想極值以下。如果處理NOx的洗滌塔煙囪部分沒(méi)有連續(xù)的排放監(jiān)測(cè)，那么要想將NaClO2的加入量調(diào)整到理想狀態(tài)是比較困難的。在一些NO2排放量比例恒定的應(yīng)用中，氧化階段加入的NaClO2和還原階段的Na2S 可以固定比例。

填料材質(zhì)選擇：該階段會(huì)產(chǎn)生ClO2，且ClO2氣體腐蝕性很強(qiáng)，易與聚丙烯（PP）材質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而使填料變性，從而縮短填料壽命。因此，在該階段需使用聚偏氟乙烯（PVDF）材質(zhì)填料來(lái)避免ClO2氣體的侵蝕。

該階段不宜加入類(lèi)似HClO，NaClO2的液態(tài)氧化劑，因?yàn)镹O 微溶于水，不能在水中被氧化成NO2，所以需要?dú)鈶B(tài)的氧化劑來(lái)與NO 反應(yīng)。階段中添加的NaClO2和H2SO4可以反應(yīng)生成ClO2，可在氣相中與NO 反應(yīng)，并將NO 氧化成NO2。該階段產(chǎn)生的NO2，隨后進(jìn)入還原階段進(jìn)行處理。

3.3.3 還原階段

還原階段添加NaOH 和Na2S（NaHS），將NO2還原成N2。主要化學(xué)方程式為：

2NO2+2Na2S+H2O→N2+Na2S2O3+2NaOH（Na2S 過(guò)量）

8Na2S2O3+2NO2+4CO2→N2+4Na2S4O6+4Na2CO3

8NO2+Na2S+8NaOH→8NaNO2+Na2SO4+4H2O

2NO2+2NaOH→NaNO2+NaNO3+H2O

在加藥階段，保持pH＞12.5，氧化還原電位（ORP）為400 mV。

在酸性條件下，Na2S2O3會(huì)分解成亞硫酸氫鈉和硫，而硫不溶于水，在水中形成膠狀懸浮物，這些懸浮物會(huì)堵塞過(guò)濾器。要解決該問(wèn)題，需要使洗滌塔內(nèi)pH＞12。但要注意，調(diào)節(jié)pH 時(shí)，不宜加入過(guò)多堿性藥劑，以免排放時(shí)因?yàn)椴荒艹浞诌M(jìn)行酸堿中和反應(yīng)而不符合要求。

需要注意的是，空氣中CO2的濃度大于空氣中的基底值時(shí)，CO2會(huì)與NaOH 發(fā)生反應(yīng)，消耗NaOH，從而使NaOH 的消耗量增加。

類(lèi)似于硫代硫酸納（Na2S2O3）或亞硫酸納（Na2SO3）的弱還原劑曾經(jīng)被用于洗滌二氧化氮，但使用弱還原劑在整體上來(lái)說(shuō)并不經(jīng)濟(jì)。理論上，1mol的Na2S 可還原的氮氧化物需要4mol 的Na2SO3才可還原。

2NO2+Na2S+NaOH→N2+Na2SO4+H2O

2NO2+4Na2SO3→N2+4Na2SO4

這些還原性較弱的還原劑，單價(jià)可能比硫化氫鈉高，但在NO2的洗滌塔中，較高的消耗率將抵消任何潛在的節(jié)約，總體經(jīng)濟(jì)性不高。

3.4 有機(jī)廢氣

根據(jù)不同的成分和濃度選擇合適的工藝處理有機(jī)廢氣，目前使用較多的兩種工藝為活性炭吸附和沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒。

3.4.1 活性炭吸附工藝

活性炭吸附工藝流程為：廢氣→防火閥→閥門(mén)→集管→一級(jí)活性炭吸附→二級(jí)活性炭吸附→集管→閥門(mén)→吸附風(fēng)機(jī)→止回閥→煙囪。

采用柱狀煤質(zhì)防水型活性炭作為吸附材料，該類(lèi)活性炭具有合理的孔隙結(jié)構(gòu)，良好的吸附性能和機(jī)械性能；采用碘吸附值大于800 mg/g，靜態(tài)苯吸附率達(dá)到40%以上，四氯化碳吸附率達(dá)到70%以上的活性炭作為吸附材料時(shí)，吸附效果更佳。

系統(tǒng)采用2 臺(tái)設(shè)備串聯(lián)，雙級(jí)吸收，活性炭箱體和吸附風(fēng)機(jī)均采用N 用一備的方式。

3.4.2 沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+催化工藝

該處理流程包含吸附系統(tǒng)和脫附系統(tǒng)。

吸附系統(tǒng)：機(jī)臺(tái)廢氣→防火閥→電動(dòng)閥→集管→預(yù)處理→沸石轉(zhuǎn)輪吸附區(qū)→電動(dòng)閥→風(fēng)機(jī)→止回閥→煙囪。

脫附系統(tǒng)：廢氣→沸石轉(zhuǎn)輪冷卻區(qū)→脫附換熱器→沸石轉(zhuǎn)輪脫附區(qū)→風(fēng)機(jī)→預(yù)熱換熱器→催化燃燒爐→脫附換熱器→預(yù)熱換熱器→煙囪。

該工藝適用于大風(fēng)量低濃度廢氣，啟動(dòng)速度快，安全可靠，操作簡(jiǎn)便，設(shè)備集成化程度高、占地面積小、便于維護(hù)管理。經(jīng)轉(zhuǎn)輪濃縮后的廢氣風(fēng)量小，可降低運(yùn)行能耗。采用催化燃燒爐，燃燒溫度低，熱量需求小，安全性好。安裝周期短，可在發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)前進(jìn)行預(yù)調(diào)試。

廢氣先經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾，過(guò)濾后的氣體進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的吸附區(qū)，氣體中的VOCs 被轉(zhuǎn)輪上的沸石吸附，轉(zhuǎn)輪逐漸趨于飽和，干凈的氣體經(jīng)排氣筒排入大氣；吸附飽和的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)至脫附區(qū)，利用一小股高溫?zé)釟獯┻^(guò)此區(qū)域，被吸附的有機(jī)物從沸石中脫附下來(lái)，沸石重新恢復(fù)吸附能力，脫附后的濃縮有機(jī)廢氣送至催化燃燒爐（CO 爐）進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化成CO2及H2O，排放到大氣中。

3.5 硅烷廢氣

硅烷廢氣處理流程為：真空泵廢氣→閥門(mén)→硅烷燃燒桶→除塵器→氨氣噴淋塔→集管→閥門(mén)→風(fēng)機(jī)→止回閥→煙囪。

硅烷廢氣采用硅烷燃燒桶+ 除塵器+ 氨氣噴淋塔三級(jí)處理工藝。硅烷燃燒桶、洗滌塔、風(fēng)機(jī)均采用N+1 的形式，閥門(mén)切換，氨氣噴淋塔的淋洗液為硫酸溶液。

3.5.1 硅烷燃燒桶

不銹鋼硅烷應(yīng)急燃燒筒將含有硅烷及其他有害氣體的混合廢氣通過(guò)管道引入燃燒筒中（在硅烷大量出現(xiàn)時(shí)起到應(yīng)急保護(hù)作用）。廢氣先進(jìn)入燃燒筒內(nèi)部的燃燒室，其中的硅烷氣體與通入的壓縮空氣中的氧氣接觸自燃，燃燒后產(chǎn)生的二氧化硅粉塵沉積從燃燒室底部的排渣口排出，其他廢氣進(jìn)入后續(xù)尾氣洗滌凈化器。

硅烷燃燒桶主要由不銹鋼殼體、燃燒室、均風(fēng)室、清渣系統(tǒng)、爆破片、進(jìn)氣口及排氣口等組成，其中發(fā)生的反應(yīng)為：

SiH4+2O2＝SiO2+2H2O ΔH＝-1 515 kJ/mol

3.5.2 脈沖袋式除塵器

脈沖除塵器是在袋式除塵器的基礎(chǔ)上增加氣流脈沖噴吹，利用機(jī)械裝置使濾袋產(chǎn)生垂直振動(dòng)、水平振動(dòng)或扭曲振動(dòng)而實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)清灰。當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到2～3 g/m3時(shí)，脈沖除塵器除塵率超過(guò)90%；粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到150 g/m3時(shí)，除塵率能超過(guò)99%。除塵器材質(zhì)有合成纖維和玻璃纖維兩類(lèi)。合成纖維常用材料有聚酯、聚丙烯、均聚丙烯腈、偏芳族聚酰胺、聚酰亞胺、聚苯硫醚、聚四氟乙烯；制作濾材的玻璃纖維通常有兩種，鋁硼硅酸鹽玻璃纖維和鈉鈣硅酸鹽玻璃纖維（即中堿玻璃纖維）。

3.5.3 氨氣噴淋塔

由于硅烷廢氣中含有堿性氣體氨氣，因此在氨氣噴淋塔中添加H2SO4溶液來(lái)吸收廢氣中的氨。氨吸收塔的運(yùn)行方式與3.1 中洗滌塔相同。

3.6 熱排廢氣

熱排廢氣處理流程：烘箱廢氣→集管→閥門(mén)→風(fēng)機(jī)→止回閥→煙囪。

由于一般排氣系統(tǒng)中不含酸堿物質(zhì)，潔凈室內(nèi)的含濕、高溫等無(wú)害氣體在風(fēng)機(jī)的牽引作用下沿?zé)焽枧胖链髿庵?。系統(tǒng)設(shè)置有備機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)熱備運(yùn)行（即N+1 運(yùn)行）。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于新能源電池切片及組件生產(chǎn)過(guò)程，酸堿廢氣采用酸堿中和法，氮氧化物廢氣采用中和、氧化、還原的方法，有機(jī)廢氣采用雙級(jí)活性炭吸附或者沸石轉(zhuǎn)輪+催化燃燒法，硅烷廢氣采用硅烷燃燒+除塵+酸堿中和法，熱排廢氣采用風(fēng)機(jī)直排的方法進(jìn)行處理。要達(dá)到較高的去除效率，對(duì)洗滌塔的空塔流速、氣液比、空塔滯留時(shí)間都有較高的要求，同時(shí)，對(duì)防爆硅烷桶設(shè)計(jì)、活性炭箱體設(shè)計(jì)、催化劑燃燒爐設(shè)計(jì)和沸石轉(zhuǎn)輪的合理選型，需要更多理論依據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)支撐。