年产80万只6qa75ah型铅酸蓄电池车间工艺初步设计.docx
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年产80万只6qa75ah型铅酸蓄电池车间工艺初步设计
摘要
铅酸蓄电池是个古老而又成熟的能源行业，改革开放开放三十多年来，随着国名经济的快速增长，随着我国加入WTO以来，我国汽车保有量和需求量持续快速增长。
汽车的蓬勃发展促进了铅酸蓄电池产业的快速增长。
预计到本世纪中叶铅蓄电池仍然是不可替代的汽车启动电源。
本设计为年产80万只6-QA-75Ah型铅酸蓄电池车间工艺初步设计。
本设计主要分两部分：
蓄电池产品设计和蓄电池生产工艺设计。
电池产品设计中，针对蓄电池的各个组件进行了单独设计和论证。
生产工艺上采用了先进的球磨式铅粉机工艺和电池内化成工艺。
此外，对各个工序段还进行了必要的物料衡算和热量衡算。
关键词：
铅酸蓄电池；生产工艺；发展趋势；铅膏；极板；三废
Abstract
AsweallknowLead-acidbatteryisanoldandmatureenergysector,withthegrowingprosperityofnationaleconomyandChina'saccessiontoWTO,threedecadesofreformandopening-upwitnessedrapidincreaceofvehiclepoupulationanddemandofchina’sautomobile.AsautomobileisthemainusefiledofLead-acidbatterywhichispromotedtheautomotivelead-acidbatteryindustry'srapidgrowth.Itisexpectedthatlead-acidbatterywillstillremaininreplaceabletostartingpowerofautomobilebythemiddleofthiscentury.Thedesignfortheannualoutputof800,0006-QA-75Ahleadacidbatteryplantpreliminarydesignprocess.Thisdesignconsistsoftwoparts:
thebatterydesignandbatteryproductionprocessdesign.Inbatteryproductdesign,thevariouscomponentsoflead-acidbatteryisdesignedseperately.Andinproductionprocess,leadoxidemillandcontainerformationtechnologywaswidelyused.Inaddition,thevariousprocessesparagraphalsomadethenecessarymaterialbalanceandheatbalance.
Keywords:
lead-acidbattery;productionprocess;developmenttrends;leadpaste;plate;waste
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第一章绪论
1.1铅酸蓄电池简介
1.1.1概述
铅酸电池是电池中最古老的二次电池。
该蓄电池是1859年由普兰特（GastonPlante）发明的，至今已有一百多年的历史。
铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。
这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点，广泛应用于汽车、叉车、大功率不间断电源（UPS）、电信、电力、铁路等领域。
随着绿色环保的理念普及，低碳生活将成为时代的潮流。
电池行业作为环保能源在人们的日常生活中必将发挥越来越重要的作用，而古老又成熟的铅酸电池行业也必将进行着顺应时代的改革，蓬勃向上，迎来一个崭新的春天。
1.1.2铅蓄电池发展史
1860年，普兰特用两块铅板中间隔以橡胶棒，浸泡在10%的稀硫酸溶液中，经过一段时间以后就形成电压为2V的电池并有电流通过。
这一电池的特性是可逆的，即化学能转变成电能，反之亦然。
1860年普兰特送给法国科学院一个9单节的蓄电池组，并作了题为“一个新型奇特的具有巨大力量且可回复的电堆”的报告，这一报告确认了铅酸电池的诞生。
1881年，Sellon发明了铅锑合金板栅。
1881年，Faure发明在铅上涂膏以形成活性物质的方法。
1882年，Gladstone与Tride提出双硫理论，从此建立了公认的化学反应式。
1883~1886年，Tudor及Lucas完成了方便的形成式正极板制法（电解液中加腐蚀剂）
到了20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。
然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点：
①充电末期水会分解为氢，氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重；②气体溢出时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。
近二十年来，为了解决以上的两个问题，世界各国竞相开发密封铅酸蓄电池，希望实现电池的密封，获得干净的绿色能源。
1912年，ThomasEdison发表专利，提出在单体电池的上部空间使用铂丝。
在有电流通过时，铂被加热，成为氢，氧化合的催化剂，使析出的H2，O2重新化合，返回电解液中。
但该专利未能付诸实现，原因如下：
①铂催化剂很快失效；②气体不是按氢1氧2的化学计量数析出，电池内部仍有气体发生；③存在爆炸危险。
60年代，美国Gates公司发明铅钙合金，引起了密封铅酸电池的开发热，世界各大公司投入大量人力物力进行开发，
1969年，美国登月计划实施，密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最后镉镍电池被采用，但密封阀控铅酸蓄电池技术从此得到发展。
1969~1970，美国EC公司制造了大约35万只小型密封铅酸蓄电池，该电池采用玻璃纤维棉隔板，贫液式系统，这是最早的商业用阀控式铅酸蓄电池，但当时尚未认识到其氧再化合原理。
1975年，GatesRutter公司在经过许多年努力并付出高昂代价的情况下，获得了一项D型密封铅酸电池的发明专利，成为今天VRLA的电池原型。
1979年，GNB公司在购买Gates公司的专利后，又发明了MFX正板栅专利合金，开始大规模宣传并生产大容量吸液式密封免维护铅酸蓄电池。
1984年，VRLA电池在美国和欧洲得到小范围应用。
1987年，随着电信业得飞速发展，VRLA电池在电信部门得到迅速推广使用。
1991年，英国电信部门对正在使用的VRLA电池进行了检查和测试，发现VRLA电池并不像厂商宣传的那样，电池出现了热失控，燃烧和早期容量失效等现象，这引起了电池工业界的广泛讨论，并对ＶＲＬＡ电池的发展前途、容量监测技术、热失控和可靠性表示了怀疑，此时，ＶＲＬＡ电池市场占有率还不到富液式的50％，原来提到的“密封免维护铅酸电池”名称正式被“VRLA电池”取代，原因是VRLA电池是一种还需要管理的电池，采用“免维护”容易引起误解。
1992年，针对1991年提出的问题，电池专家和生产厂家的技术员纷纷发表文章提出对策和看法。
其中，DaridFeder提出利用测电导的方法对VRLA电池进行监测。
I.c.Bearinger从技术方面评述VRLA电池的先进性。
这些文章对VRLA电池的发展和推广起到了很大的促进作用。
1992年，世界上VRLA电池用量在欧洲和美洲都大幅度提高，在亚洲电信部门提倡全部采用VRLA电池。
1996年，VRLA电池基本取代了传统的富液式电池，VRLA电池已经得到了广大用户的认可。
1.1.3铅酸蓄电池基本结构及基本术语
图1.1
主要零部件作用：
●槽、盖：
放置极群和硫酸。
●安全阀:
排气、隔绝空气，防止失水。
●极柱：
连接导线，传导电流。
●板栅：
支撑活性物质，传导电流。
●极板：
提供反活性物质（正负极板）。
●隔板：
隔离正负极板，吸附硫酸，提供氧复合通道。
基本术语：
●正极活性物质：
二氧化铅（Pbo2）
●负极活性物质：
铅（Pb）
●电解质溶液：
稀硫酸（H2SO4）
●板栅合金：
铅钙锡铝多元合金（Pb-Ca-Sn-Al）
●铅膏：
氧化铅（PbO）和硫酸铅（PbSO4）
●单体电压：
2V
1.1.4铅酸电池的工作原理
铅酸蓄电池的化学表达式为
（-）Pb|H2SO4|PbO2（+）
铅酸蓄电池是典型的二次电池，能满足二次电池的如下要求：
①电极反应可逆，是一个可逆的电池体系；②只采用一种电解质溶液，避免因采用不同的电解质而造成电解质之间的不可逆扩散；③放电产生难溶于电解液的固体产物，可避免充电时过早生成枝晶和两极产物的转移。
（1）铅酸蓄电池充放电原理
铅酸蓄电池的正极活性物质是PbO2，负极活性物质是海绵状金属铅，电解液是稀硫酸。
铅酸蓄电池充放电原理见下图：
（2）放电过程
1放电前的状态
蓄电池在放电前处于完全充足电的状态，即正极板为具有多孔性的活性物质PbO2，负极板为具有多孔性的活性物质Pb，正负极板放在硫酸的溶液之中。
2溶解电力产生电动势
正极板：
PbO2属于碱性氧化物，与硫酸作用，生成过硫酸铅[Pb（SO4）2]和H2O，产生可你的氧化还原反应（电离），即：
其中过硫酸铅不稳定，它又被分解成为Pb4+和2SO42-,即：
Pb4+沉淀覆盖在正极板上，SO42-溶入电解液中。
所以，正极板相对电解液（参考点）具有+2.0V的电位。
先电离出来的正负离子将分别阻碍后电离出来的正负离子。
随着电离的进行，电离与反电离将达到平衡。
负极板：
根据电极电位原理，金属Pb在硫酸溶液的溶解张力作用下，Pb2+溶解到电解液中，而负极上留下2e，即：
Pb→Pb2++2e
所以，负极板相对电解液（参考点）形成约-0.1V的电位。
先溶解出来的离子和电子将分别阻碍后电离出来的离子和电子。
随着溶解的进行，溶解与反溶解将达到平衡。
由此可见，蓄电池将产生电动势E，即：
E=2.0V-（-0.1V）=2.1V。
3放电
当外电路接通时，在正负极板间的电场力作用下，负极板的电子2e将沿着外电路定向移动到正极板形成放电电流If.正极板上4价的铅离子将得到2个电子2e变成2价的Pb2+即：
Pb4++2e→Pb2+
2价的铅离子很容易与溶液中的SO42-结合，成为较稳定的PbSO4,沉附于正极板上，即：
Pb2++SO42-→PbSO4
显然，电离与反电离的相对平衡被打破，电离又将进行。
负极板上由于失去了2个电子，Pb2+与2e的束缚力消失，Pb2+很容易与另一个SO42-结合，成为较稳定的PbSO4沉附在负极板上，即：
Pb2++SO42-→PbSO4
显然，溶解与反溶解的相对平衡被打破，溶解又将进行。
以上电离与反电离，溶解与反溶解的相对平衡被打破，溶解电离将继续进行，以维持放电电流。
电解液随着溶解电离的进行，硫酸逐渐减少，水逐渐增多，故比重C逐渐减少。
4放电的生成物
放电后正负极板的生成物均为PbSO4，电解液中的生成物为H2O。
理论上讲，随着放电的进行，上述过程将进行到正负极板上的活性物质全部转变为硫酸铅，电解液全部变成水，电动势减少到零为止，即完全放电状态。
但实际上是不可能的，因为电解液很难渗透到极板的最内层去。
（3充电过程
1）充电前的状态
蓄电池充电前处于完全放电状态，而充电是放电的逆反应，充电的反应物就是放电的生成物。
2）溶解电离
PbSO4虽然稳定，但仍属微溶性物质，微量的PbSO4溶解于电解液中，并进行电离，即：
PbSO4
Pb2++SO42-
3）充电
在外电场力的作用下，使得正极板处Pb2+失去2个电子，并沿外电路定向移动到负极板，形成充电电流Ic。
正极板处Pb2+由于失去2个电子变成了4价的铅离子Pb4+，即：
Pb2+-2e→Pb4+
Pb4+与2SO42-结合生成过硫酸铅，即：
Pb4++2SO42-→Pb（SO4）2
过硫酸铅再与水作用，生成PbO2和H2SO4,即：
Pb（SO4）2+2H2O→PbO2+2H2SO4
PbO2则沉淀覆盖在正极板上，H2SO4与电解液之中。
负极板处，2价的Pb2+获得从正极板过来的2个电子而变成Pb，即：
Pb2++2e→Pb
铅沉附于负极板上，电解液随着充电的进行，硫酸逐渐增多，水逐渐减少，故比重C逐渐增大。
4）充电后的生成物
充电后，正极板中的生成物为PbO2，负极板中的生成物为Pb，电解液中的生成物为H2SO4。
1.1.5VRLA氧复合原理
密封铅酸蓄电池在设计上限制正极容量，而负极活性物质容量过剩，以保证充电时正极优先析出氧气，而负极上部产生氢气。
2H2O→O2+4H++4e
析出的氧气穿透隔膜扩散到负极，与海绵铅反应：
Pb+1/2O2+H2SO4→PbSO4+H2O
同时氧气在负极还可能发生电化学还原反应：
O2+4H++4e→2H2O
这样，不会在电池内积累氧气，负极一直处于充电不足状态，不会析出氢气。
1.1.6铅酸电池的分类
（1）按国际标准规定分类
启动型蓄电池：
主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等启动和照明；
固定型蓄电池：
主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源；
牵引型蓄电池：
主要用于各种蓄电池车，叉车，铲车等动力电源；
铁路用蓄电池：
主要用于铁路内燃机车、电动机车、客车启动、照明之动力；
储能用蓄电池：
主要用于风力、太阳能等发电用电能储存。
（2）按极板结构分类
涂膏式：
将铅氧化物用硫酸溶液调成糊状铅膏，涂在用合金铸成的板栅上，经干燥，化成形成活性物质。
管式：
用铅合金制成形式不同于涂膏式板栅的骨架，在骨架外套以编制的纤维管，管中装入活性物质。
形成式：
极板有纯铅铸成，活性物质是铅本身在化成液中经反复充、放电形成一薄层。
（3）按蓄电池盖和结构分类
有开口式、排气式、防酸镉爆式和密封阀控式蓄电池。
（4）按蓄电池维护方式分类
有普通式、少维护式、免维护式蓄电池。
1.2我国铅酸蓄电池产业
电池工业是新能源领域的重要组成部分，是全球经济发展的一个新热点，与电力、交通、信息等产业发展息息相关，是社会生产经营活动和人类生活中不可缺少的产品。
铅酸蓄电池凭借其性能价比高、大容量、高功率、长寿命、安全可靠等优点，是目前世界上产量最大、用途最广的一种电池，铅酸蓄电池销售额占全球电池销售额的30%以上。
铅作为铅酸蓄电池最为重要的原料，其质量和价格的高低直接影响蓄电池产业未来的发展，铅和铅酸蓄电池的发展是相辅相成的。
现就对近年来我国铅酸蓄电池发展现状进行分析，谈点自己的感想。
1.2.1我国铅酸蓄电池行业现状
随着我国经济的持续快速发展，中国汽车、摩托车、电动助力车、通信、信息、电力等基础产业发展十分迅速，这些行业在我国处于一个高速成长期，对铅酸蓄电池的需求日益增长，铅酸蓄电池工业呈持续、快速增长趋势。
据不完全统计，我国铅酸蓄电池制造厂家已达到1500家左右，生产量平均以每年约20％的速度快速增长，铅酸蓄电池产量约占世界产量的1/3，出口量、出口额分别以每年高达29％和34％左右的速度递增，在国际市场上具有举足轻重的地位，成为全球铅酸蓄电池的生产和消费大国。
2003年，中国铅酸蓄电池的销售额约130亿元人民币，约占中国电池销售总额的1/3，占二次电池销售总额的45%。
2004年，由于铅等原料价格的集聚增长，影响了市场销售和利润，但由于国内需求和出口的增长，中国铅酸蓄电池产量达到了约6000万KVAH，销售额约150亿元。
2005年，铅酸蓄电池总产量达6645万KVAH，销售额200亿元左右，出口额8.2亿美元，同比增长40%。
蓄电池产量年平均增长远远高于国民经济的增长速度和欧美等发达国家，起动蓄电池增长15%以上，固定电池增长30%，动力电池增长50%以上。
2006年，铅酸蓄电池产量为7777.8万KVAH，销售额350亿元.
2007年，铅酸蓄电池产量为9359.8万KVAH，销售额503亿元。
其产品结构见下图：
2007年我国铅酸蓄电池产量结构图
产品
汽车
启动用
电动助
力车用
固定
用
摩托车用
小型阀
控密封
牵引
用
特种
电池
电动道
路车用
其他
用
占比
37.33%
29.08%
18.60%
5.48%
5.23%
1.83%
0.62%
0.09%
1.75%
随着中国市场经济进程的加快，铅酸蓄电池企业已呈现优胜劣汰趋势，地域性规模企业逐步形成并壮大，市场份额逐年增长。
仅以助动车用铅酸蓄电池企业为例，浙江省长兴县的蓄电池产业是随着近年来我国电动助力车产业的兴起迅速发展壮大，2003年，铅酸蓄电池企业有175家之多，销售额为9.0亿元；2004年开始进行了专项整治，到2005年蓄电池企业保留下来53家，销售额为21.55亿元，到2007年底，销售额为71.6亿元，年均增长67.9%，约占国内市场份额的45%左右，预计2011年销售额可达140亿元。
1.2.2铅酸蓄电池产业发展前景
未来几年,我国铅市场还将主导全球铅工业，中国铅市场平衡和精铅出口量将继续影响国际供求平衡。
2006年，全国用铅量为280万吨，其中铅酸蓄电池的耗铅量为172万吨，占61.4%，预计到2010年，我国铅酸蓄电池的耗铅量将达到256.5万吨，可以说铅酸蓄电池产业发展的状况直接决定着铅产业的运行情况。
从铅酸蓄电池的最终消费领域来看，汽车（包括低速汽车等）耗铅所占比例约为37.33%，电动助力车耗铅占比为29.08%左右，通讯和UPS电源占比为14%，预计随着我国汽车、通讯、电力、交通等行业的高速成长，各类型铅酸蓄电池的市场空间均会有大的拓展，平均保持10%的增长速度，铅酸蓄电池消费市场还有很大空间，铅的需求仍将保持较快增长。
未来促进铅酸蓄电池快速增长的几大因素。
1、汽车市场
根据国务院发展研究中心的“中国汽车市场需求预测”，中国已成为世界第四大汽车生产国。
据统计，我国汽车用铅酸蓄电池需求量近5年以年均17%的速度递增。
汽车产量到2010年将达到800-1000万辆，2020年将达到1400-1800万辆，家用轿车持有量将达到7200万辆。
汽车业的快速发展将继续成为铅蓄电池工业持续快速增长的重要拉动因素。
中国汽车产量和保有量见图。
2005-2010年中国汽车保有量和新车产量
汽车工业的快速发展为起动铅酸蓄电池市场提供了巨大的市场，根据对约40家铅酸蓄电池骨干企业统计结果，2005年起动铅酸蓄电池产量为2001万KVAH（约2152万只），较2000年1188万KVAH（约1277万只），增长了68%。
未来十年仍将约以15%的发展速度增长，预计2010年，起动蓄电池的市场容量将超过5000万只（4651万KVAH），耗铅量将达到80万吨以上，全年精铅消费量将达到100万吨以上。
2、摩托车用市场
2007年1-10月，摩托车工业累计生产完成2054.13万辆，累计销售完成2058.13万辆，同比增长16.00%和17.42%，摩托车产销双双突破2000万辆，实现较快增长。
预计2010年我国摩托车产量将超过2900万辆左右，社会保有量约1亿辆左右。
同时，电动摩托车也是较大的潜在市场。
摩托车产业的发展也为铅酸蓄电池提供了巨大市场。
3、电动助力车市场
电动助力车作为欠发达国家的代步工具和发达国家的健身工具，已越来越受欢迎，该产品已成为政策鼓励的“绿色产业”，近5年来产业规模和产销量每年保持50%以上的增长速度。
此外，按照以往蓄电池市场变化，电动助动车用铅酸蓄电池是每年的2月-4月销售情况较好，8月-10月为销售旺季，但自去年以来，随着铅价的不断波动，蓄电池生产企业无所适从，该销售规律已不十分明显。
2010年中国轻型电动车的产销量将可能达到3000万辆，出口量将可能达500万-600万辆。
今后较长时间内仍将保持50%以上的速度持续增长，虽然市场受到镍氢电池和锂电池的挑战，但是由于高比能量铅酸蓄电池的研发，质量不断提高，市场不断成熟，且价格较低，在中国，铅酸蓄电池仍将充当电动助力车的主角，拥有巨大的配套电池和替换电池市场。
到2015年中国电动助力车的产值将达到达到1000亿元，其中配套电池160亿元，二级市场的替换电池达480亿元，这是一个巨大的市场。
1998年-2007年我国电动车产量汇总表
年度
年产量
（万套）
电动车保
有量（万辆）
配套电池
数量（万套）
配套电池容量
（万KVAH）
备注
1998年
5.8
6
6
3
按
“12V12AH，3只1辆”计算
1999年
14.8
20.6
20.6
9
2000年
29
49.6
49.6
21
2001年
58
107.6
107.6
46
2002年
165
272.6
272.6
118
2003年
400
672.6
672.6
291
2004年
675.7
1348.3
1348.3
582
2005年
1209
2557.3
2557.3
1105
2006年
1950
4507.3
4507.3
1947
2007年
2138.2
6645.5
6645.5
2871
4、通信市场
我国通信业正处于一个高速发展期，平均每年的增长速度超过20%，到2007年底，国内电话用户已突破9亿，居世界首位。
通信行业是铅酸蓄电池的主要用户，阀控式铅酸蓄电池占目前市场需求总量的2/3，中、小型密封电池在邮电系统的主要应用领域为用户接入网和通信专网，从2000年开始，这一领域呈现出强劲的势头，市场潜力巨大。
2005年以后，通信行业开始向3G过渡，根据天相投资公司的预计，2008年和2009年两年内，我国3G投资总额分别为1000亿元、2000亿元，而2011年3G投资总额将下降到1100亿元，2012年到800亿元。
由此可看出，3G新兴市场将给阀控和胶体电池带来大约50亿元的市场机会。
信息的快速发展，给电源市场带来了巨大的商机和挑战。
5、UPS应急市场
UPS/EPS应急电源已被广泛应用于建筑电气领域和特殊应急供电场合。
全球主要的UPS厂商几乎全部进入中国市场，而中国UPS产量已占全球总需求量的20%左右，正成为UPS产品全球制造中心，UPS在中国市场发展加快，数据显示，2005年国内产品销量增加10%，销售额增加8%，2006年也是稳中有升，预计2008年销售额达到27亿元。
6、电力市场
电力行业是我国重点发展的基础行业，“十五”期间每年投资达800亿元。
“十一五”期间，电力工业将有更大发展：
2007年我国新增9000万千瓦左右的电力装机，全国电力总装机突破7亿千瓦大关，位居全球第二；2010年中国电力装机容量将达到8.18亿千瓦，年均增长9.8%。
到2020年，国家将投入2.5万亿元发展可再生能源，力争使可再生能源发电装机容量的比例达到30%以上。
据预测，4.5亿千瓦发电机需要约600万KVAH的铅酸电池，那么到2010年电池的需求量在1091万KVAH左右。
7、储能市场
在当今能源发
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