铅酸蓄电池生产中化成区火灾危险性确定及应对措施

李文强

摘要： 铅酸蓄电池广泛用于国防、航空、通信、交通等众多领域，铅酸蓄电池的技术进步，促进了信息、通信、汽车等相关产业的发展。铅酸蓄电池是目前汽车使用的一种化学电源，具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和回收再利用率高等优点。

关键词：铅酸电池;火灾危险性;建筑设计

引言：

铅酸蓄电池的生产企业的化成车间在蓄电池生产过程中有易燃易爆的气体氢气的产生，是否应该将车间的火灾危险性类别定义为甲类，本文从铅酸蓄电池的充放电反应机理进行分析，深度探索了铅酸蓄电池的火灾危险性及管理措施，实现本质安全，为企业的快速发展保驾护航。

1 铅酸蓄电池的生产工艺过程

本文以国内某高端铅酸电池工厂为例，该工厂拟年产750万只高容量全密封免维护铅酸蓄电池，电池产品共有两类，一类是SLI电池，一类是AGM电池。电池主要由电池槽、电池盖、正负极板、稀硫酸电解液、隔板及附件构成。工艺制造过程主要为以下五个方面，流程简述如下：

（1）铅粉制造：将电解铅用专用设备铅粉机通过氧化筛选制成符合要求的铅粉。

（2）板柵制造：板栅是将铅钙合金用拉网的方式制造成符合要求的不同类型各种铅带，再将铅带制成板栅。

（3）极板制造：用铅粉和稀硫酸及添加剂混合后涂抹于板栅表面再进行干燥固化即是生极板。

（4）电池组装：将正负极板进行配组、焊极群、装槽，再通过穿壁焊接和中盖热封等工序完成电池组装。

（5）化成总装：将组装好的电池进行加酸化成，化成后的电池需要进行清洗、顶盖热封等工序完成最终产品。

2 铅酸电池的工作原理

根据上述工艺说明，电池经过组装后进入化成区进行充电，电池的充电过程会析出氢气，因此本节主要论述关于铅酸蓄电池的化成区（充电区）的火灾危险性的类别确定的说明。

根据铅酸蓄电池的工作原理，铅酸蓄电池正极活性物质是二氧化铅，负极活性物质是海绵铅，电解液是稀硫酸溶液，当充电70%～80%的电量时，正极开始析出氧气，当充电基本完成约90%时，负极开始析出氢气。蓄电池的充放电的化学方程式如下：

Pb（负极）+ PbO（正极） + 2H2SO4 → 2PbSO4 +2H2O

充电时的副反应为

正极：2H2O-4e→O2+4H+（当正极充电到70%时，开始析出氧气）

负极：2H++2e→H2（当负极充电到90%时，开始析出氢气）

氢气是易燃易爆的甲类气体，在空气中的爆炸极限是4.1%～74.1%，因此充电区域的氢气浓度若达到爆炸极限时，遇火源就会发生爆燃。

3 充电化成区的火灾危险性类别的定义

本项目的化成区长119.4m，宽123.4m，建筑面积为12955m2，车间净空高度为12.2m，车间共有四个化成台，分别为1个SLI/EFB产品化成台可同时充电电池的数量为5760个，充电时间为8h，3个AGM产品的化成台，每个AGM化成台可同时充电6480只铅酸蓄电池，充电时间为24h。

现将确定化成区（充电区）确定车间的危险性的两种方式介绍如下：

3.1根据《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）第3.1.2条计算

根据《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）第3.1.2条的条文说明，该说明中列出了部分生产中常见的可不按物质危险性确定生产火灾危险性类别的最大允许量。其中，当生产区域释放出的氢气的总量与房间的比值小于1L/m3，且总量小于25m3时，该区域火灾危险性的类别可不定性为甲类，即：

氢气总量（L）/厂房的容积（m3）<单位容积的最大允许值。

其中AGM的产品电池盒内除去电解液外电池内剩余体积为1310cm3，即0.00131 m3，SLI的产品电池盒内除去电解液外电池内剩余体积为870 cm3，即0.00087 m3，设该部分的空间是电池充电过程中释放出的氢气（标准状态下）的体积，考虑到3个AGM化成台生产时的使用系数为0.7，计算出充电中可释放的氢气的体积为0.00131*1000*6480*3*0.7+0.00087*1000*5760=22837.68L，即22.84m3，氢气的总量小于25m3;该车间建筑面积为12955.9m2，以车间的檐口高度11.2m，车间净高12.3m，该处车间的体积为146807m3，则

氢气总量/厂房容积=22.84/146807=0.156L/ m3<1L/ m3。

假设在生产中所有的蓄电池全部在充电，并处在释放氢气的过程中，且释放出的氢气都为扩散至室内，留存在厂房内，其单位容积的释放量和释放的总量均小于最大的允许量。

3.2 根据实际的产生氢气量及空间换气量计算

按照铅酸蓄电池的充电原理，铅酸电池在充电达到90%以后，剩余的10%的充电量在负极形成氢气，以此来计算氢气量，按照最大的AGM电池容量，即80Ah*10%=8Ah的电量去产生氢气，而每只最大容量的SLI电池有70Ah*10%=7Ah的电量去产生氢气。

根据电流安培的定义：1A=1C/s（即每秒钟通过1库伦电子数量），则每个AGM电池的8Ah=8Ah*3600s/h=28800C 电量，1C的电量为6.25X1018的电子数量，则8Ah的涉及的电子数量为1.8X1023的电子数量，即0.299mol，产生氢气的量约为0.15mol，即0.299g氢气（标准状态下），换算成体积3.33L。

每个SLI电池的计算方式同AGM电池，产生氢气的量为2.91L，

则AGM电池产生氢气的量：3.33*6480*3*0.7=45314.6L=45.31m3，

SLI/EFB电池产生氢气的量： 2.91*5760=16761.6L=16.76m3，

充电的时间SLI电池按照8h来计，电池释放氢气的时间为0.8h，在所有电池均在充电时同时释放氢气，则每个小时产生氢气的最大量为20.95m3/h;AGM电池的充电时间为24h，电池释放氢气的时间为2.4h，则每个小时产生氢气的最大量为18.88m3/h;合计氢气释放速率最大值为39.83m3/h为保证氢气的浓度小于1L/ m3，则需要保证车间的通风量在39830m3/h以上即可达到该技术要求。

根据环保的要求，生产过程中是在化成台上配置有封闭式的酸雾收集罩，并进行大量的排风，车间每个化成台的排风量为162000m3/h，以最不利的SLI化成台计算，罩内氢气的浓度为20.95*1000/162000=0.129L/m3，可满足规范要求的1L/m3的要求。车间化成区的总体积为146807m3，为达到车间总氢气量小于25 m3，即要求车间氢气的平均浓度在0.17L/ m3以下，而从排气罩内逸出的风量按照10%考虑，则每个小时逸散到车间的氢气总量为

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

即车间的氢气的每小时由通风罩内逸出的氢气量为6.07m3/h，因此车间的只要考虑35700m3/h以上的通风量即可保证车间的氢气总量小于25 m3。由于氫气密度比空气轻，容易在车间顶部富集，为保证车间顶部氢气不超标可在屋顶设置强制通风系统，通风量只要大于35700m3/h，即可保证车间浓度小于1L/m3，总量小于25m3的要求，这样该车间火灾危险性类别可不定义为甲类。

事实上充放电的过程中氢气的产生量远小于上述的计算量，因为最后的10%的电能不可能全部用于水电解，同时在生产过程中一般也不会满足所有的电池均在充电并处在释放氢气的阶段。此外车间顶部设置有电动开启的屋顶通风器系统，通风面积达到了100m2以上，在微风的状态下（3.5～5.5m/s，取4m/s），车间的进气量4m/s*100m2*3600s*0.5=720000m3/h，该进气量远大于所需车间的额外的通风量。

综上所述，该车间的火灾危险性的类别可不定义为甲类。

4 预防火灾及爆炸的安全措施

尽管车间释放的氢气量较少，不足以将车间的火灾危险性定位甲类，但由于氢气的易燃易爆性，车间内预防火灾，爆炸的安全措施仍然必不可少。

车间内需要设置大量的通风设施，同时车间在屋顶设置了自然通风天窗。车间内设置氢气气体报警装置，并与车间屋顶的电动天窗联动，以防止局部爆炸危险区域的形成，同时气体报警装置与车间化成区的整流器间报警设施联锁，当氢气浓度报警后，化成台上的充电线路紧急切断。

室内电气穿管敷设，电气连接处良好，牢靠，避免产生火花放电，生产中严禁在化成区吸烟，用明火照明或取暖，不准在室内进行动火作业。

5 结束语

由于氢气释放的原因，给铅酸蓄电池生产企业带来一定的复杂性，但通过科学的计算及有效的安全措施及安全生产管理办法，可以预防化成区的氢气火灾，对爆炸危险区的危险预防也是切实可行。同时也应看到，氢气的总量对于铅酸生产企业的厂房的规模及生产的纲领是有一定的限制。因此作为企业主，应切实地根据消防的要求对于产能的规划作出合理的判定。

文献参考：

[1]李文婷，铅酸电池工厂设计[J].天津建设科技，2018，（028）：001.

[2]罗瑶，铅酸蓄电池极板车间的火灾危险性类别确认及安全对策措施[J].江西化工，2013，（4）：334-335.

[3]桂长清，铅酸动力电池的工作原理及开发现状，机械工业出版社，2009

[4]建筑设计防火规范（GB50016-2014）（2018版）