鋰電池行業(yè)VOCs廢氣治理方法的選擇

引言
鋰電池是由鋰金屬或者鋰合金為正/負(fù)電極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。由于其體積小、重量輕、能量密度高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于手機(jī)、電腦等便攜式通訊設(shè)備，此外隨著鋰電技術(shù)的發(fā)展也開(kāi)始廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電動(dòng)車(chē)、衛(wèi)星、航天飛機(jī)中。隨著鋰電池的需求量越來(lái)越大，中國(guó)的鋰電池制造企業(yè)也是越建越多，截至目前中國(guó)已經(jīng)是世界上最大的鋰電池生產(chǎn)基地和出口國(guó)，中國(guó)生產(chǎn)制造的鋰電池份額已經(jīng)占到全球的70 %以上。鋰電池在生產(chǎn)制造過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣等，之前對(duì)鋰電池行業(yè)可能產(chǎn)生廢氣的環(huán)節(jié)認(rèn)識(shí)不夠清楚和相關(guān)政策法規(guī)等要求不甚嚴(yán)格導(dǎo)致鋰電池行業(yè)的廢氣處理特別是VOCs 治理存在一系列問(wèn)題，由于我國(guó)鋰電池行業(yè)現(xiàn)有和在建的工廠(chǎng)眾多其VOCs 廢氣治理問(wèn)題不容忽視。下面筆者結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)介紹一下相關(guān)的鋰電行業(yè)VOCs 廢氣治理的方法和案例。
一、鋰電池廢氣的特點(diǎn)和相關(guān)治理要求

鋰電池的生產(chǎn)過(guò)程主要包括：

一、極板工程——攪拌制漿涂布烘烤、輥壓分切、激光模切分條；

二、組裝工程——卷繞、JR預(yù)熱短路測(cè)試、配對(duì)、焊接、真空干燥；

三、化成工程——注液、高溫靜置、化成、焊接、電芯充放電、老化測(cè)試、覆膜。

其中極板工程中攪拌制漿和涂布過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的NMP 廢氣，該部分廢氣的濃度相對(duì)高、風(fēng)量大、溶劑組分單一回收再利用價(jià)值較高，通常是采用轉(zhuǎn)輪回收+深度處理或者吸收塔回收+精餾+深度處理的處理工藝，這一部分的廢氣治理技術(shù)比較成熟。其中的難點(diǎn)在于組裝過(guò)程和化成過(guò)程中注液和真空干燥產(chǎn)生的VOCs 廢氣，該部分的廢氣風(fēng)量相對(duì)小、濃度波動(dòng)大而且含有焦油，這一部分廢氣之前不是未被識(shí)別就是采用活性炭或者堿洗等簡(jiǎn)易的處理工藝，不僅維護(hù)操作繁瑣而且容易排放超標(biāo)。
烘干和注液廢氣的來(lái)源主要就是電解液，電解液是由電解質(zhì)鹽和稀釋劑組成，為無(wú)色液體，其中主要組分為六氟磷酸鋰(10 %~30 %)、碳酸乙烯酯(0 %~30 %)、碳酸二甲酯(0 %~30 %)、乙基碳酸甲酯(0 %~30 %)，其中六氟磷酸鋰容易發(fā)生水解產(chǎn)生氫氟酸，此外由于前端生產(chǎn)工藝中使用了NMP 后端廢氣中也含有少量的NMP。烘干和注液廢氣的主要成分見(jiàn)下表：

根據(jù)寧德某鋰電池工廠(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，烘干和注液廢氣的排放濃度在100~500 mg/m3，且隨著不同生產(chǎn)過(guò)程波動(dòng)早晚濃度低中午偏高。
目前鋰電池行業(yè)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《電池工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB30484-2013)中的相關(guān)規(guī)定， 其中NMHC 排放濃度≤50mg/m3，顆粒物排放濃度≤30 mg/m3。
二、鋰電烘干、注液廢氣治理工藝的選擇
由于廢氣的濃度是波動(dòng)的最高值有500 mg/m3 以上，單一的水洗或者活性炭處理工藝很難滿(mǎn)足排放要求，因此采用組合型式的處理工藝是優(yōu)先選擇。針對(duì)該部分廢氣的特點(diǎn)，推薦采用如下幾種工藝：預(yù)處理+活性炭吸脫附+催化燃燒、預(yù)處理+活性炭吸脫附+冷凝回收、預(yù)處理+轉(zhuǎn)輪吸脫附+催化燃燒等(這里的預(yù)處理主要為堿洗、水洗、除油等)，之所以不采用活性炭+RTO 或者轉(zhuǎn)輪+RTO 主要是投資成本相對(duì)更大、占地大、RTO 安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高等。下表是幾種處理工藝的對(duì)比(都以10000 m3/h 的處理設(shè)備作為對(duì)比)：

從上表可知，采用轉(zhuǎn)輪+催化燃燒的處理方式投資和運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)來(lái)說(shuō)都比較高、此外由于廢氣中含有酸性及高沸點(diǎn)氣體可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪的使用壽命降低，但是具有去除效率高、排口穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、占地小、操作維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)活性炭+催化燃燒工藝來(lái)說(shuō)投資費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低，但是也存在蜂窩活性炭需要定期更換、排口濃度不穩(wěn)定、設(shè)備配電功率大等缺點(diǎn)；對(duì)活性炭+冷凝回收工藝來(lái)說(shuō)投入相對(duì)較高但運(yùn)行費(fèi)用低、設(shè)備配電功率小，但是也存在著排口排放濃度不穩(wěn)定、活性炭需要定期更換、冷凝下來(lái)的有機(jī)物只能作為廢液等缺點(diǎn)而且需要額外供應(yīng)蒸汽和冷卻水。

從上圖可以明顯的看出在廢氣初始的處理過(guò)程中，活性炭的處理效果是相當(dāng)不錯(cuò)的，但是隨著時(shí)間的推移大約6 h 以后活性炭逐漸吸附飽和后排口的濃度逐漸的升高、很快就超過(guò)排放要求，這時(shí)就需要及時(shí)的切換活性炭箱將吸附飽和的炭箱進(jìn)行脫附，用脫附干凈的炭箱來(lái)進(jìn)行吸附；反觀(guān)轉(zhuǎn)輪+CO 的處理工藝轉(zhuǎn)輪出口廢氣濃度一直比較的平穩(wěn)，都在一個(gè)合理的范圍內(nèi)波動(dòng)，排口廢氣排放一直穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
三、相關(guān)案例介紹
下面介紹一個(gè)相關(guān)的案例，江蘇某鋰電廢氣的處理項(xiàng)目，該項(xiàng)目的廢氣風(fēng)量在6000 m3/h，濃度在350 mg/m3，采用活性炭+CO的處理工藝，主要配置如表3：

廢氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如下：首先廢氣通過(guò)靜電除油去除廢氣中的焦油等物質(zhì)，然后經(jīng)過(guò)堿洗來(lái)去除廢氣中的氟化氫以及其它的酸性組分，經(jīng)過(guò)堿洗除霧之后(雖然設(shè)置了兩級(jí)除霧系統(tǒng)但是廢氣的濕度還是比較大專(zhuān)門(mén)增加了一套除濕的設(shè)備)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步除濕后進(jìn)入活性炭箱進(jìn)行吸附后排放，吸附飽和的炭箱通過(guò)閥門(mén)切換進(jìn)入到脫附系統(tǒng)，通過(guò)熱風(fēng)不斷的將活性炭中有機(jī)廢氣脫附出來(lái)并送入催化燃燒系統(tǒng)中進(jìn)行焚燒處理，脫附完成后進(jìn)行冷卻吹掃，吹掃完成后進(jìn)入到備用狀態(tài)，通過(guò)吸附、脫附閥門(mén)的開(kāi)關(guān)可使得活性炭箱在吸附、脫附等狀態(tài)不斷切換，此外可根據(jù)排口濃度檢測(cè)的檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換活性炭箱的吸脫附。該項(xiàng)目出口NMHC 的排放濃度穩(wěn)定在在50 mg/m3 以下。

四、總結(jié)
上面三種處理工藝各有其優(yōu)缺點(diǎn)需要業(yè)主和設(shè)計(jì)人員根據(jù)不同的項(xiàng)目類(lèi)型和工況進(jìn)行合理的選擇，不能只考慮投資、更要考慮運(yùn)行成本、維護(hù)操作難易程度以及是否能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等維度。
來(lái)源：環(huán)保