鉛酸蓄電池生產中化成區火災危險性確定及應對措施

李文強

摘要： 鉛酸蓄電池廣泛用于國防、航空、通信、交通等眾多領域，鉛酸蓄電池的技術進步，促進了信息、通信、汽車等相關產業的發展。鉛酸蓄電池是目前汽車使用的一種化學電源，具有電壓平穩、安全可靠、價格低廉、適用范圍廣、原材料豐富和回收再利用率高等優點。

關鍵詞：鉛酸電池;火災危險性;建筑設計

引言：

鉛酸蓄電池的生產企業的化成車間在蓄電池生產過程中有易燃易爆的氣體氫氣的產生，是否應該將車間的火災危險性類別定義為甲類，本文從鉛酸蓄電池的充放電反應機理進行分析，深度探索了鉛酸蓄電池的火災危險性及管理措施，實現本質安全，為企業的快速發展保駕護航。

1 鉛酸蓄電池的生產工藝過程

本文以國內某高端鉛酸電池工廠為例，該工廠擬年產750萬只高容量全密封免維護鉛酸蓄電池，電池產品共有兩類，一類是SLI電池，一類是AGM電池。電池主要由電池槽、電池蓋、正負極板、稀硫酸電解液、隔板及附件構成。工藝制造過程主要為以下五個方面，流程簡述如下：

（1）鉛粉制造：將電解鉛用專用設備鉛粉機通過氧化篩選制成符合要求的鉛粉。

（2）板柵制造：板柵是將鉛鈣合金用拉網的方式制造成符合要求的不同類型各種鉛帶，再將鉛帶制成板柵。

（3）極板制造：用鉛粉和稀硫酸及添加劑混合后涂抹于板柵表面再進行干燥固化即是生極板。

（4）電池組裝：將正負極板進行配組、焊極群、裝槽，再通過穿壁焊接和中蓋熱封等工序完成電池組裝。

（5）化成總裝：將組裝好的電池進行加酸化成，化成后的電池需要進行清洗、頂蓋熱封等工序完成最終產品。

2 鉛酸電池的工作原理

根據上述工藝說明，電池經過組裝后進入化成區進行充電，電池的充電過程會析出氫氣，因此本節主要論述關于鉛酸蓄電池的化成區（充電區）的火災危險性的類別確定的說明。

根據鉛酸蓄電池的工作原理，鉛酸蓄電池正極活性物質是二氧化鉛，負極活性物質是海綿鉛，電解液是稀硫酸溶液，當充電70%～80%的電量時，正極開始析出氧氣，當充電基本完成約90%時，負極開始析出氫氣。蓄電池的充放電的化學方程式如下：

Pb（負極）+ PbO（正極） + 2H2SO4 → 2PbSO4 +2H2O

充電時的副反應為

正極：2H2O-4e→O2+4H+（當正極充電到70%時，開始析出氧氣）

負極：2H++2e→H2（當負極充電到90%時，開始析出氫氣）

氫氣是易燃易爆的甲類氣體，在空氣中的爆炸極限是4.1%～74.1%，因此充電區域的氫氣濃度若達到爆炸極限時，遇火源就會發生爆燃。

3 充電化成區的火災危險性類別的定義

本項目的化成區長119.4m，寬123.4m，建筑面積為12955m2，車間凈空高度為12.2m，車間共有四個化成臺，分別為1個SLI/EFB產品化成臺可同時充電電池的數量為5760個，充電時間為8h，3個AGM產品的化成臺，每個AGM化成臺可同時充電6480只鉛酸蓄電池，充電時間為24h。

現將確定化成區（充電區）確定車間的危險性的兩種方式介紹如下：

3.1根據《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）第3.1.2條計算

根據《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）第3.1.2條的條文說明，該說明中列出了部分生產中常見的可不按物質危險性確定生產火災危險性類別的最大允許量。其中，當生產區域釋放出的氫氣的總量與房間的比值小于1L/m3，且總量小于25m3時，該區域火災危險性的類別可不定性為甲類，即：

氫氣總量（L）/廠房的容積（m3）<單位容積的最大允許值。

其中AGM的產品電池盒內除去電解液外電池內剩余體積為1310cm3，即0.00131 m3，SLI的產品電池盒內除去電解液外電池內剩余體積為870 cm3，即0.00087 m3，設該部分的空間是電池充電過程中釋放出的氫氣（標準狀態下）的體積，考慮到3個AGM化成臺生產時的使用系數為0.7，計算出充電中可釋放的氫氣的體積為0.00131*1000*6480*3*0.7+0.00087*1000*5760=22837.68L，即22.84m3，氫氣的總量小于25m3;該車間建筑面積為12955.9m2，以車間的檐口高度11.2m，車間凈高12.3m，該處車間的體積為146807m3，則

氫氣總量/廠房容積=22.84/146807=0.156L/ m3<1L/ m3。

假設在生產中所有的蓄電池全部在充電，并處在釋放氫氣的過程中，且釋放出的氫氣都為擴散至室內，留存在廠房內，其單位容積的釋放量和釋放的總量均小于最大的允許量。

3.2 根據實際的產生氫氣量及空間換氣量計算

按照鉛酸蓄電池的充電原理，鉛酸電池在充電達到90%以后，剩余的10%的充電量在負極形成氫氣，以此來計算氫氣量，按照最大的AGM電池容量，即80Ah*10%=8Ah的電量去產生氫氣，而每只最大容量的SLI電池有70Ah*10%=7Ah的電量去產生氫氣。

根據電流安培的定義：1A=1C/s（即每秒鐘通過1庫倫電子數量），則每個AGM電池的8Ah=8Ah*3600s/h=28800C 電量，1C的電量為6.25X1018的電子數量，則8Ah的涉及的電子數量為1.8X1023的電子數量，即0.299mol，產生氫氣的量約為0.15mol，即0.299g氫氣（標準狀態下），換算成體積3.33L。

每個SLI電池的計算方式同AGM電池，產生氫氣的量為2.91L，

則AGM電池產生氫氣的量：3.33*6480*3*0.7=45314.6L=45.31m3，

SLI/EFB電池產生氫氣的量： 2.91*5760=16761.6L=16.76m3，

充電的時間SLI電池按照8h來計，電池釋放氫氣的時間為0.8h，在所有電池均在充電時同時釋放氫氣，則每個小時產生氫氣的最大量為20.95m3/h;AGM電池的充電時間為24h，電池釋放氫氣的時間為2.4h，則每個小時產生氫氣的最大量為18.88m3/h;合計氫氣釋放速率最大值為39.83m3/h為保證氫氣的濃度小于1L/ m3，則需要保證車間的通風量在39830m3/h以上即可達到該技術要求。

根據環保的要求，生產過程中是在化成臺上配置有封閉式的酸霧收集罩，并進行大量的排風，車間每個化成臺的排風量為162000m3/h，以最不利的SLI化成臺計算，罩內氫氣的濃度為20.95*1000/162000=0.129L/m3，可滿足規范要求的1L/m3的要求。車間化成區的總體積為146807m3，為達到車間總氫氣量小于25 m3，即要求車間氫氣的平均濃度在0.17L/ m3以下，而從排氣罩內逸出的風量按照10%考慮，則每個小時逸散到車間的氫氣總量為

0.117*3*0.7*162000*10%+0.129*162000*10%=6.07m3/h

即車間的氫氣的每小時由通風罩內逸出的氫氣量為6.07m3/h，因此車間的只要考慮35700m3/h以上的通風量即可保證車間的氫氣總量小于25 m3。由于氫氣密度比空氣輕，容易在車間頂部富集，為保證車間頂部氫氣不超標可在屋頂設置強制通風系統，通風量只要大于35700m3/h，即可保證車間濃度小于1L/m3，總量小于25m3的要求，這樣該車間火災危險性類別可不定義為甲類。

事實上充放電的過程中氫氣的產生量遠小于上述的計算量，因為最后的10%的電能不可能全部用于水電解，同時在生產過程中一般也不會滿足所有的電池均在充電并處在釋放氫氣的階段。此外車間頂部設置有電動開啟的屋頂通風器系統，通風面積達到了100m2以上，在微風的狀態下（3.5～5.5m/s，取4m/s），車間的進氣量4m/s*100m2*3600s*0.5=720000m3/h，該進氣量遠大于所需車間的額外的通風量。

綜上所述，該車間的火災危險性的類別可不定義為甲類。

4 預防火災及爆炸的安全措施

盡管車間釋放的氫氣量較少，不足以將車間的火災危險性定位甲類，但由于氫氣的易燃易爆性，車間內預防火災，爆炸的安全措施仍然必不可少。

車間內需要設置大量的通風設施，同時車間在屋頂設置了自然通風天窗。車間內設置氫氣氣體報警裝置，并與車間屋頂的電動天窗聯動，以防止局部爆炸危險區域的形成，同時氣體報警裝置與車間化成區的整流器間報警設施聯鎖，當氫氣濃度報警后，化成臺上的充電線路緊急切斷。

室內電氣穿管敷設，電氣連接處良好，牢靠，避免產生火花放電，生產中嚴禁在化成區吸煙，用明火照明或取暖，不準在室內進行動火作業。

5 結束語

由于氫氣釋放的原因，給鉛酸蓄電池生產企業帶來一定的復雜性，但通過科學的計算及有效的安全措施及安全生產管理辦法，可以預防化成區的氫氣火災，對爆炸危險區的危險預防也是切實可行。同時也應看到，氫氣的總量對于鉛酸生產企業的廠房的規模及生產的綱領是有一定的限制。因此作為企業主，應切實地根據消防的要求對于產能的規劃作出合理的判定。

文獻參考：

[1]李文婷，鉛酸電池工廠設計[J].天津建設科技，2018，（028）：001.

[2]羅瑤，鉛酸蓄電池極板車間的火災危險性類別確認及安全對策措施[J].江西化工，2013，（4）：334-335.

[3]桂長清，鉛酸動力電池的工作原理及開發現狀，機械工業出版社，2009

[4]建筑設計防火規范（GB50016-2014）（2018版）