锂电池电极涂布机NMP废气处理回收工艺

锂电池电极涂布机NMP废气处理回收工艺改进与施工（广东省工业设备安装公司周伟波）摘要NMP-甲基吡咯烷酮，是一种以γ-丁内酯为原料，与甲胺缩合而成液体，挥发性、渗透性极强，PH值为7-9碱性，易燃易爆，锂电池生产中应用广。在锂电池电极制造过程中，涂布机会产生高温NMP废气。以往的工艺一般为经废气塔吸收达环保标准后直接排放，造成了价格昂贵的NMP的浪费。我们改进的工艺回收原理是用冷却水经水-气换热器将含有NMP的高温空气冷却，使废气中的NMP以液态的形式从空气中分离后回收，已分离NMP的空气经过气-气换热器进行热能交换再循环利用，达到节省能源，零排放环保标准，并且在本技术工艺的施工中采用了相应的施工工艺，解决了NMP极易渗透问题。关键词NMP工艺回收水-气换热器气-气换热器零排放1.工艺概况东莞某电子厂锂电池电极涂布机NMP废气系统位于厂区内涂布车间天面，NMP废气出口温度为1040C，风量为4500m3/h。在涂布过程中由于NMP不断蒸发，使废气出口的浓度不断增加，环保要求不能直接排放，循环利用需控制浓度。原设计为1/3气经冷凝NMP液回收后直接排放，涂布机需补新风预热（见图一），NMP浪费，热用量增加。业主方委托我司对该方案进行改进，我方设计以下方案，经在一条生产线安装调试，效果非常好，并且在全厂20条涂布机废气回收中使用，每年节约了大量运行费用。本处理回收工艺系统设计如下：取NMP废气排气量1/3为回收风量（即1500m3/h），2/3直接循环利用，主要由水-气换热器（冷凝器）、气-气换热器、挡液板、收集器、风机、风量调节阀、风管系统、管道系统组成。工艺安装连接方式：采用焊接和法兰连接，法兰连接的密封填料采用耐酸耐碱性耐高温的橡胶板。第1页图一原设计工艺流程图2.NMP回收工艺流程方案选择根据理论与实验测量，涂布机含有NMP废气出口温度为1040C，风量为4500M3/h。当温度下降至600C以下时废气饱和开始有NMP液冷凝，经实验得出NMP如下数据如表1。表1回收温度（0Cdp）饱和蒸气压（KPa）体积比回收量（g/Kg）200．040．04%1．348526400．160．16%5．400503500．320．32%10．81812600．530．53%17．95485根据NMP混合气体的体积比达到1.3%时极易发生爆炸(NMP的爆炸下限为1.3%),设计选用回收温度为400C,体积比为0.16%,达到安全,且设计中用冷却水作为冷媒,根据广东省的气候冷却水的出口温度为320C,温差有80C可满足方案设计意图。选用NMP回收风量为总排第2页放量的三分之一（即1500m3/h），经气-气换热器换热后的温度达到700C，其余的风量循环回涂布机。方案使用工况如下：含NMP的废气流量为1500m3/h，经过气-气换热器从1040C降至700C；经水-气换热器后温度降至400C，水-气换热器采用320C冷却水冷却；400C回收NMP后的尾气再回气-气换热器后升温至700C作涂布机新风循环回涂布机。NMP回收工艺流程如图二.图二NMP回收工艺流程图3．气-气换热器设计选型3．1气—气换热器根据设计回收工艺流程图及现场实测，经计算得出数据如下表第3页项目单位热侧冷侧备注流量m3/h15001500进口温度℃10440出口温度℃7070*热负荷kcal/h14688*对数温差℃33*传热系数kcal/h.m2.℃8气－气换热器计算参数换热面积m255.7*选用换热器型号BSRZ-12×7-12D昊磊换热器厂带*为通过计算所得其他为实测数据或设定数据。3.2根据计算参数及换热器所选型号BSRZ-12*7-12D，相关尺寸如下图三。翅片管选用φ25*2.0-45mm，制作方式采用无缝钢管绕铝翅片，片高10mm，片距2.5mm；管程设计压力为1.0MPa，试验压力为1.5MPa，换热器材质采用碳钢。制作标准参照《GB14209-93》。左视图7106601006601230410410410正视图图三气—气换热器结构图4、水-气换热器设计选型4.1水—气换热器根据设计回收工艺流程图及现场实测，经计算得出数据如下表第4页项目单位热侧（风）冷侧（水）备注流量m3/h15002.6*进口温度℃7032出口温度℃4035热负荷kcal/h12960*对数温差℃18.3*传热系数kcal/h.m2.℃25水－气换热器计算参数换热面积m228.3*选用换热器型号BGLⅡ-8R×10-55昊磊换热器厂带*为计算所得，其他数据为实测数据或设定数据。4.2根据计算参数及广州昊磊换热器厂产品参数，所选换热器型号BGLII-8R×10-55。翅片管选用φ25*2.0-45mm，制作方式采用无缝钢管绕铝翅片，片高10mm，片距2.5mm；管程设计压力为1.0MPa，试验压力为1.5MPa，设计温度为3000C，换热器材质采用碳钢。4.3水-气换热器具有两种功能，一种是冷凝功能，另一种是收集功能。含NMP的气体在水-气换热器中从700C降至400C的过程中，不断地冷凝出NMP液体，并且滴落水-气换热器的底部，因此换热器经选型后结构上必须进行改造，底部改装成具有锥形集水盘状，保证5%的坡度，并在底部最低点安装排液管；由于NMP液的比重为1.03，比较接近水的比重，为了防止冷凝的NMP液随风飘入风管，在水—气换热器的风出口处安装挡液板。水—气换热器的结构如图四DN40660660700DN40DN25图四水—气换热器结构图第5页5．设备安装本工艺的设备安装主要包括气-气换热器和水-气换热器的安装。考虑到设备所占用的面积，气-气换热器和水-气换热器可连体安装，由于设备之间连接部位属高温，并且NMP具有腐蚀、渗性性强，如采用法兰连接，密封材料比较特殊，且不耐用，因此连接方式宜采用焊接方式，安装简便和耐用。由于气-气换热器和水-气换热器设备采用连体安装，并且两设备重量和不足500Kg，共用槽钢基础，槽钢基础安装时必须有5%坡度坡向气-水换热器的集液口，以保证设备内的液体排出；设备安装高度可根据实际情况调整。6．管道系统安装6．1风管系统6．1．1风管管径的选择。由于NMP极易挥发，600C以下处在饱和状态下的NMP气体与低温气体混合会产生雾状滴液，为了使回收循环利用的气体不带走NMP雾状滴液，气体的流速必须小于2m/s。根据公式：A=Q/V，Q=1500m3/h得出风管截面积A必须大于0.21平方米才能满足要求。考虑到水-气换热器出口底部宽度为0.66米,因此选用风管为660*400*1,660*400风管截面面积为0.264平方米大于0.21平方米符合要求，材质采用镀锌风管,含有NMP的400C气体对镀锌风管没有腐蚀性。6．1．2本工艺系统安装按中压系统安装，采用法兰连接，法兰密封采用耐高温耐酸碱的四氟乙稀板，风管制作时与构配件连接采用耐高温耐酸碱玻璃胶密封。循环回收风管布置如图图五循环风管安装立面图循环风管安装在换热器上面，风管安装时必须保证有5%的坡度坡向水-气换热器，预防风管内有NMP液时亦可排出。第6页6．1．3风管制作安装时注意事项：a．风管制作时与构配件连接必须用耐高温耐酸碱的玻璃胶密封后才可安装。b．角铁法兰制作时，必须保证焊接质量，法兰连接面必须保持同一水平面。C．风管安装完成后必须试风压，不得漏风。6．2冷却水管道安装冷却水管道材质采用无缝钢管，在冷却水回水管道上安装一个比例积分调节阀用调节水量来控制风出口温度保持400C，比例积分调节阀的温度控制面板选用0~1000C。比例积分调节阀的控制线路安装必须与涂布机控制部分联动。管道安装按照《采暖与通风施工与验收质量规范》进行施工。6．3回收集液管道安装回收集液管道材质采用普通不锈钢管，采用焊接形式。收集形式采用重力流，安装时管道必须保证5%的排水坡度流向贮液罐。NMP液回收管道安装应注意如下事项a．支管与主管之间必须安装存水弯，以水封形式阻止水-气换热器风窜风入主管形成旋流造成排液不畅。存水弯如图六图六存水弯图b．支管要尽可能短，与主管落差要大。c．主管末端要与大气连通，并要引至安全位置，距离地面2米。作者：周伟波，男，1956年生，1987年7月广东省电大毕业，机械专业，工程师，在广东省工业设备安装公司工作。第7页