鋰電池廠房設計和施工8個要點1個總結建設方案

       隨著新能源電動汽車行業(yè)興起，帶動著動力電池生產企業(yè)的迅速發(fā)展，同時也帶動著對鋰電池潔凈廠房的建設需求。較多企業(yè)新涉足此行業(yè)，對廠房建設停留在依葫蘆畫瓢的階段，或怕出問題一味的提高建設要求，最終導致施工過程經(jīng)常出現(xiàn)邊建邊拆邊改的情況，造成投資的浪費。

       為使?jié)撛谕顿Y企業(yè)了解鋰電潔凈廠房的基本建設需求，避免盲目投資，合景凈化工程公司從以下分別從廠房結構、消防、內裝、空調、工藝管道、電氣方面做簡單綜述。

一、廠房結構

       廠房分自建廠房和租賃廠房，因鋰電潔凈廠房整體建筑面積大，比較難找到合適廠房租賃，大多數(shù)企業(yè)選擇自建廠房。

       自建廠房又分為混凝土框架結構及鋼結構，各有優(yōu)劣?；炷量蚣芙Y構土建施工周期長，投資預算高，使用周期長，適合做長遠發(fā)展的大中型企業(yè)；鋼結構廠房施工周期短，投資預算低，使用周期短，適合需要迅速發(fā)展的中小型企業(yè)。以上不管何種結構廠房，均不宜建多層廠房，且均需充分考慮地基承重、樓面沉重、設備房大小、廠房消防等級等。設備房及輔助用房建議統(tǒng)一設置在某一側或某個集中區(qū)域。

       荷載按照800KG/M2。

       層高按照6.6M~7.2M~8M

       柱網(wǎng)按照9 M ~12M

二、消防

       由于鋰材料的特殊化學性，又需滿足消防驗收要求，在節(jié)約投資的情況下也也需要充分考慮到危險的防范，此部分需特別注意。一般廠房為丙類廠房，消防涵蓋排煙、噴淋、報警、應急照明等。注液區(qū)、電解液存放區(qū)、高溫房等危險性較高區(qū)域，需單獨隔離防火分區(qū)，各類設備考慮防爆及耐腐蝕要求等。

       注意一定要設計為丙類廠房，否則消防有可能驗收不過。

       化成間、分容間、二次高溫靜置房設計消防卷盤，用于非消防人員在火災初期有效撲救；卷盤長度25M。

三、內裝

       隔墻布局需綜合消防逃生、人流物流通道、生產設備的擺放等多方面因素。生產設備由于生產材料的不同（如三元鋰、磷酸鐵鋰等）及設備自動化程度或廠家的不同，尺寸規(guī)格有較大出入。建設單位需在確定產品、生產設備后再結合考慮整體布局，有出入再做調整。由于存在高溫和低濕度環(huán)境的特殊性，隔墻、天花、門窗的選擇都需要注意。高溫房一般為單獨隔離分區(qū)，圍護采用巖棉板材質，門體采用防火門。低濕度區(qū)域圍護采用隔墻巖棉板，天花玻鎂巖棉板，門體采用成型密閉門，玻璃采用雙層真空玻璃窗。

       1）地面：3MM 環(huán)氧自流平+高耐磨聚氨酯罩面+啞光，配料車間（正負極攪拌間）、涂布機頭、涂布機尾區(qū)、清洗間、電解液存放間地面采用厚度2mm的304不銹鋼板材焊接，清洗墻面沿地面上翻1200mm

       2）車間墻面采用50型手工玻鎂雙面巖棉凈化板，鋼板厚度0.472mm；

       3）輥壓機重量35噸，設備基礎采用雙層雙向鋼筋結構 ；

四、空調

       鋰電潔凈廠房一般廠區(qū)面積大，制冷總負荷大，需綜合計算全區(qū)域的總冷負荷，確定制冷主機冷量及安裝位置，考慮節(jié)能的需求，制冷主機盡量集中在冷凍站，并充分考慮后期擴建連通預留管路閥門，再通過冷凍水管分區(qū)輸送冷源。北方省份還需考慮冬季防凍措施。

       鋰電潔凈廠房與其它行業(yè)的最大不同是對濕度控制要求較高，除濕機組是保障環(huán)境露點的核心設備。除濕機組的選擇，車間圍護的密閉性，風管的密閉性，人員數(shù)量，車間的管控都需綜合考慮。除濕機組盡量選擇市場知名度較高的品牌，車間隔墻天花嚴格施工工藝，門窗采用定制成型密閉型，風管采用角鐵法蘭，注液等低濕度區(qū)域采用不銹鋼風管?？照{部分的控制建議采用PLC控制，為便于操作使用整合安裝于各空調控制柜上。

       有投資預算的企業(yè)還可以采用中央控制，集中監(jiān)視。五、工藝管道 鋰電池生產過程需要冷卻水、壓縮空氣、氮氣、真空、給排水、排氣等。根據(jù)設備需求，統(tǒng)計整體用量，確定設備型號及安裝位置，根據(jù)生產設備布局及需求量布置管道走向。需要注意的氣管部分是由于廠區(qū)面積大，管路損耗大，需要考慮在遠端增加儲氣罐及環(huán)管。真空設備及管路部分需要區(qū)分電解液區(qū)域及普通區(qū)域。

       局部會有很多亞克力微環(huán)境結構，以便節(jié)能降耗。

重點關注問題：

       1.凈化空調風管必須用法蘭連接，1%相對濕度區(qū)域的送回風管采用不銹鋼管，焊接連接,為滿足風量泄漏量及密封要求，應按照高壓系統(tǒng)施工。在相對濕度小于10%的區(qū)域的鍍鋅鋼板厚度干管應采用風管厚度1.2mm。在法蘭鉚釘處及其他風管連接處打密封膠，保證風管的允許漏風量不大于1.64m3 /(h*m2 )

       2.轉輪除濕機組 再熱采用蒸汽， 帶熱回收裝置，可節(jié)省制熱量；

       3.空調風機、排風機采用變頻風機，可根據(jù)實際所需風量調節(jié)電能消耗，節(jié)省電能；

       4.空調系統(tǒng)風管、水管均嚴格保溫，減少熱量損失；

       5.空調系統(tǒng)均設有溫濕度自動控制系統(tǒng)（DDC），精確控制溫濕度，節(jié)省了冷熱量;

       6.空調新風量設計滿足每人不小于40m3/h的工業(yè)衛(wèi)生標準,保證生產區(qū)人員工作環(huán)境要求;

       7.風冷熱泵機組采用環(huán)保冷媒R407C，減少環(huán)境污染。

       8.冷熱源由水冷螺桿/離心機組或設置在屋頂上的一體式一體化雙冷高效冷水機組提供,冷凍水為7/12°c，熱水為45/40°c。,一臺為熱泵機組，冬季可制熱；冷水機組還提供設備工藝冷凍水設置一套板式換熱器，與冷凍水進行交換得到20/35°c的冷卻水為空壓機降溫，配兩臺水泵，一用一備。智能補水定壓綜合水處理裝置放在屋面上，接至冷卻水回水管，為冷卻水系統(tǒng)定壓補水。

       9.鋰電池廠的氣體需求一般為壓縮空氣（無油的）、氮氣（99.99%或99.999%）、真空、具體要求視工藝設備需求，管道可采用比銹鋼管或鋁合金管道、閥門采用不銹鋼球閥或蝶閥。

       10.給排水除了工藝冷卻水需求之外，還需要純水。

六、電氣

       鋰電潔凈廠房生產設備及空調等輔助設備較多，用電功率大。電房布置及變壓器大小選擇需考慮整體用電負荷。供電分區(qū)、橋架走向、分級控制等為便于后期維護使用及用電安全需綜合考慮。 很多鋰電池廠優(yōu)先靠近電廠等，這樣成本優(yōu)勢就很大。

       電柜斷路器及電纜建議使用市場知名度較高的品牌，電線電纜均采用阻燃型，穿線管采用鍍鋅線管。照明部分建議采用LED光源，車間部分照度控制在250Lux至300Lux左右照度，倉庫及設備房100Lux左右照度，應急照明按消防規(guī)范及房間布局安裝，并考慮其它檢修照明及檢修插座等。 燈具一定要避讓我們的設備，很多設計燈具沒有避讓工藝設備。

七、總結

       由于電池生產環(huán)境要求的嚴苛，需充分考慮設計的完整和合理性、施工工藝的嚴格管控、節(jié)能、生產工藝及投資預算，兼顧平衡，確保鋰電潔凈廠房的順利建設投產。

八、其它相關資料

       鋰電池目前被廣泛應用于各類數(shù)碼產品 ， 受國家產業(yè)政策支持的電動汽車 、電動自行車等發(fā)展較快 ，動力鋰電成為鋰電池的潛力領域 。 然而其制造過程極為嚴苛 ，需要非常干燥的環(huán)境 ，通常要求環(huán)境空氣露點溫度達到－40℃以下。 鋰電池類的制造過程有著極為嚴苛的生產環(huán)境要求 ， 因此在設計 、施工過程中任何一部分出現(xiàn)偏差都會給整個系統(tǒng)帶來損失 。另外 ，為了對液晶 、有機發(fā)光顯示屏等新型電子元件的高性能化進行研究 ，或為了提高生產效率 、降低生產成本等常常需要在超低露點（－85℃）以下環(huán)境中生產 。因此 ，隨著各種高性能電子元件的開發(fā) 、制造過程的實用化 ，對超低露點干燥空氣環(huán)境的需求會越來越多。

       常用的超低露點環(huán)境是利用吸附技術對空氣中的水分進行吸附除濕 ，獲得干燥空氣 。而采用硅膠或分子篩吸附除濕的方式已經(jīng)逐步成為主流，吸附式除濕裝置又可以分為吸附塔式和轉輪式吸附除濕機2種 。轉輪式除濕技術已被國內企業(yè)接受和掌握 ，并取得了長足的發(fā)展 ，在核心部件采用進口除濕轉輪的基礎上 ，已完全能夠勝任鋰電池生產過程中所要求的低露點和超低露點濕度控制 ，并成為代表技術被各個行業(yè)所采用。

1、現(xiàn)行超低露點空調除濕系統(tǒng)存在的主要問題

1.1現(xiàn)行超低露點空調除濕系統(tǒng)流程

       合景凈化工程公司ptwk.com.cn以鋰電池干燥房的露點溫度要求 （－50℃） 為例。 在空氣處理過程中 ， 空氣處理系統(tǒng)分為2個子系統(tǒng) ： 工作間空氣處理系統(tǒng)和轉輪再生空氣處理系統(tǒng) 。

       工作間空氣處理流程 ： 室外新風 Ａ 經(jīng)初效過濾后進入前表冷器一 ， 通過冷卻除濕得到低溫飽和濕空氣 Ｂ， 經(jīng)一級轉輪除濕至 Ｃ 工況 ， 再與室內回風 Ｈ１ 混合至 Ｄ 工況 ， 經(jīng)過前表冷器二降溫后得到 Ｅ， 其中大部分空氣進入二級轉輪進行深度除濕 ， 得到低露點空氣 Ｆ， 再經(jīng)后表冷器和中效過濾器至 Ｇ 工況后送至工作間 。

       轉輪再生空氣處理流程 ：① 一級轉輪再生系統(tǒng)的再生空氣來自二級轉輪再生空氣的排氣 ， 具體在二級轉輪再生系統(tǒng)中陳述 。② 由于室外空氣含濕量較高 ， 盡管加熱后 ， 其水蒸氣分壓力降低 ， 但仍高于二級轉輪再生段吸濕劑的水蒸氣分壓力 ， 不能滿足二級轉輪再生氣體的含濕量要求 。 因此 ， 采用相對干燥的空氣進行轉輪再生才能克服這個難題 。 所以 ， 在二級轉輪再生系統(tǒng)中 ， 二級轉輪再生氣體采用了經(jīng)一級轉輪處理與室內回風混合并經(jīng)除濕的干燥空氣 Ｅ１（ 含濕量為 ０．４４ｇ／ｋｇ 干空氣 ）， 經(jīng)二級轉輪冷卻后至 Ｊ 工況 ， 空氣中的含濕量變?yōu)榧s １ｇ／ｋｇ 干空氣 。 在電加熱的作用下 ， 該氣體溫度升高至 Ｋ 工況 ， 空氣中的水蒸氣分壓力降低 ， 并將其用于二級轉輪的再生 ， 空氣狀態(tài)變?yōu)?nbsp;Ｌ。 盡管經(jīng)過二級轉輪的再生使用 ， 該空氣與室外新風比較還是相對干燥的 ， 將二級轉輪再生空氣的部分排氣加熱至 Ｍ 工況后 ， 用于一級轉輪的再生空氣 ， 從而提高了一級轉輪處理空氣的能力 。

1.2 運行過程中存在的主要問題

       １） 現(xiàn)行超低露點除濕系統(tǒng)通常采用一級和二級轉輪串聯(lián)方式 。 需要干燥的空氣除了一部分作為新風進入工作間 ， 還有一大部分作為二級轉輪的再生空氣 ［５］。 因此 ， 一級轉輪的空氣處理量較大 ， 運行成本較高 。

       ２） 由于各級除濕轉輪均配有再生加熱器 ， 且為了保證除濕效果 ， 經(jīng)計算一級轉輪的再生溫度需要 １１０℃， 二級轉輪的再生溫度需要 １４０℃， 在系統(tǒng)運行時會消耗大量的再生能源 。

       ３） 由于鋰電池生產環(huán)境要求極為苛刻 ， 任何一部分設計 、 施工出現(xiàn)偏差 ， 都會給整個系統(tǒng)帶來難以估量的損失 。 現(xiàn)行轉輪除濕系統(tǒng)較為復雜 ， 導致存在裝置大型化 、 設備投資高 、 控制點多 、 運行調試較復雜等問題 。

2、新型超低露點空調除濕系統(tǒng)構成及特點

2.1新型超低露點空調除濕系統(tǒng)流程

       新型超低露點空調除濕系統(tǒng)流程如圖 ２ 所示 。 整個空氣處理系統(tǒng)分為 ２ 個子系統(tǒng) ， 但是 ２ 個子系統(tǒng)相對較為獨立 。

       工作間空氣處理流程 ： 室外新風經(jīng)過轉輪再生系統(tǒng)表冷器除濕后 （Ｄ２ 狀態(tài)點 ， 具體在轉輪再生空氣處理系統(tǒng)中陳述 ） 與回風 Ｊ１ 以及 Ｇ１ 經(jīng)轉輪預冷后的空氣混合至 Ｆ 點工況 。 此時 Ｆ 工況空氣的含濕量已經(jīng)很低 ， 經(jīng)過中效過濾器和表冷器后至 Ｇ 工況 ， 一部分 （Ｇ１） 經(jīng)過轉輪預冷段和經(jīng)除濕處理后的新風 Ｄ２ 混合 ， 另一部分 Ｇ２ 進入二級轉輪進行深度除濕至工況 Ｈ， 然后經(jīng)過表冷器達到送風狀態(tài)點 Ｉ 后進入工作間 。 轉輪再生空氣處理流程 ： 室外新風 Ａ１ 經(jīng)過初效過濾器和表冷器后至 Ｂ 工況 ， 與經(jīng)過二級轉輪再生后的空氣混合至 Ｂ１， 經(jīng)過表冷器后進入一級轉輪至 Ｄ 工況 ， 其中一部分空氣作為新風 Ｄ２ 與工作間的回風混合 ， 另一部分空氣 Ｄ１ 被加熱之后用于二級轉輪的再生至工況Ｅ， 此時空氣較室外空氣相對干燥 。 為了節(jié)能 ， 將其經(jīng)過顯熱換熱器后與處理的新風 Ｂ 混合 ， 再經(jīng)過表冷器后進入一級轉輪進行除濕處理 ， 如此循環(huán) 。

2.2新型超低露點空調除濕系統(tǒng)特點

       １） 系統(tǒng)運行穩(wěn)定后 ， 室外空氣處理量就是工作間所需的新風量 。 因此 ， 無論是二級轉輪還是一級轉輪的除濕量都大大減少 。 新風量對整個系統(tǒng)的沖擊較小 ， 工作間的濕度得到較好控制 。

       ２） 經(jīng)過計算得出 ， 一級轉輪再生溫度需要 １００℃， 二級轉輪的再生溫度則是 ８０℃， 較現(xiàn)行系統(tǒng)的再生溫度大大降低 ， 減少了轉輪再生能耗 ， 運行過程中節(jié)能降耗非常顯著 。 二級轉輪的使用壽命得到延長 ， 并為以后利用低溫熱源創(chuàng)造了有利條件 。 若與高溫熱泵結合在一起 ， 將進一步提升新型系統(tǒng)的節(jié)能效果 。

       ３） 由于一級轉輪和二級轉輪相對獨立 ， 系統(tǒng)調試較為簡單 ， 且實際運行過程中由于二級轉輪的除濕量極少 ， 且較低的再生溫度使二級轉輪的使用壽命得到延長 （ 其價格在整機中比重較大 ）， 后期的維護費用相應降低 。潔凈車間ptwk.com.cn

3、改造前后系統(tǒng)運行狀態(tài)和節(jié)能性比較

       以無錫新區(qū)某日資企業(yè)鋰電池的轉輪除濕空調系統(tǒng)改造項目為例 。 由于除濕轉輪使用壽命和除濕效率的下降 ，導致原有空調除濕系統(tǒng) 無法滿足工作間送風參數(shù) ，故對該系統(tǒng)進行節(jié)能改造。所需干燥空氣送風量為5000ｍ3／ｈ，露點溫度為－50℃。 

       2014年一級轉輪和二級轉輪空氣再生加熱溫度的月平均值?？梢钥闯?，二級轉輪再生加熱溫度全年穩(wěn)定， 年平均溫度是101.5℃。一級轉輪再生加熱月平均溫度在5月和6月較高， 最高值6月份達到105.5℃。這是由于無錫5月和 6月室外空氣相對濕度較大 ，而一級轉輪再生用的就是室外新風 ， 因此再生加熱溫度較高。 但總體較為穩(wěn)定 ， 年平均溫度是101.5 ℃。新風全年 空氣狀態(tài)參數(shù)的變化對整個系統(tǒng)的影響較小，工作間的濕度控制較好 。 實際使用時考慮留有一些安全裕量 ，一級轉輪再生溫度設定為102℃，二級轉輪的再生溫度為82℃，工作間空氣露點的實測平均值達到－59.6℃，滿足要求 。新型除濕系統(tǒng)能耗由額定工況參數(shù) 算出，與現(xiàn)行除濕系統(tǒng)的能耗比較結果在表3中給出?？梢钥闯觯滦统凉裣到y(tǒng)總冷負荷與現(xiàn)行系統(tǒng)相當 ，但總熱負荷比現(xiàn)行除濕系統(tǒng)降低約46.7％，大大節(jié)約了除濕轉輪的再生能耗。

4、結論

       筆者對新開發(fā)的超低露點空調除濕系統(tǒng)的系統(tǒng)構成 、 操作條件 、 節(jié)能性能等進行研究 ， 得出以 下結論 ：

       １） 新型轉輪除濕系統(tǒng)中經(jīng)過一級轉輪的空氣量就是工作間所需的新風量 ， 使得一級轉輪的轉輪規(guī)格比改良前系統(tǒng)小 ， 在前期的設備投入方面節(jié)省了部分費用 。

       ２） 新型轉輪除濕系統(tǒng)中二級轉輪和一級轉輪的再生溫度較改良前系統(tǒng)大大降低 ， 這使得二級轉輪的使用壽命得到延長 ， 并為以后利用低溫熱源創(chuàng)造了有利條件 。 較低的再生溫度可以節(jié)省轉輪再生能耗 ， 運行過程中節(jié)能降耗顯著 。

       ３） 一級轉輪和二級轉輪相對獨立 ， 使得新型轉輪除濕系統(tǒng)調試較為簡單 。

       ４） 考慮到節(jié)約能耗和降低成本的要求 ， 還需要結合現(xiàn)場的生產工藝通盤考慮 ， 為后期生產建沒提供有益的幫助 。